Przenoszenie ciepła na płytkach PCB: Zrozumienie zarządzania ciepłem na płytkach drukowanych

Płytki drukowane (PCB) generują ciepło podczas pracy. Aby zapobiec uszkodzeniom cieplnym, konieczne jest zastosowanie odpowiednich technik przepływu ciepła, które zapewnią rozproszenie tej energii.

Podstawy przenoszenia ciepła

Na poziomie fundamentalnym dyskusja na temat wymiany ciepła obejmuje dwa kluczowe aspekty: temperaturę i przepływ ciepła. Temperatura odnosi się do ilości dostępnej energii cieplnej, podczas gdy przepływ ciepła opisuje ruch energii cieplnej z jednego miejsca do drugiego. Na poziomie mikroskopowym energia cieplna jest bezpośrednio powiązana z energią kinetyczną cząsteczek. Im wyższa temperatura materiału, tym większe pobudzenie cieplne jego cząsteczek. Jest normalne, że obszary o wyższej energii kinetycznej przekazują ją do obszarów o niższej energii kinetycznej. Kilka właściwości materiałów może skutecznie regulować wymianę ciepła między dwoma obszarami o różnych temperaturach. Właściwości te obejmują przewodność cieplną, gęstość materiału, prędkość płynu i lepkość płynu. Łącznie te właściwości znacznie komplikują rozwiązywanie licznych problemów związanych z wymianą ciepła. Przewodność cieplna jest kluczową właściwością w wymianie ciepła, ponieważ określa zdolność materiału do przewodzenia ciepła. Materiały o wysokiej przewodności cieplnej mogą przenosić ciepło wydajniej niż materiały o niskiej przewodności cieplnej. Gęstość materiału jest również ważnym czynnikiem, ponieważ gęstsze materiały mogą magazynować więcej energii cieplnej i pomagać regulować zmiany temperatury w czasie. Prędkość i lepkość cieczy mogą również wpływać na wymianę ciepła, ponieważ ciecze o dużej prędkości i małej lepkości mogą przenosić ciepło szybciej niż te o małej prędkości i dużej lepkości.

Mechanizmy przenoszenia ciepła

Mechanizmy przenoszenia ciepła można ogólnie podzielić na trzy grupy: Przewodzenie: Polega ono na przenoszeniu energii cieplnej z obszarów o wyższej energii kinetycznej cząsteczek do obszarów o niższej energii kinetycznej poprzez bezpośrednie zderzenia cząsteczek. W metalach elektrony pasma przewodnictwa mogą również przenosić część energii z jednego obszaru do drugiego. Konwekcja: Gdy ciepło jest wytwarzane w urządzeniu elektronicznym, jest ono transportowane poprzez przewodzenie do sąsiedniego obszaru, który następnie przekazuje ciepło do płynu. Proces ten znany jest jako konwekcja, a płyn może przybierać postać gazu, takiego jak powietrze, lub konwencjonalnej cieczy, takiej jak woda. Promieniowanie: Wszystkie materiały emitują energię cieplną, a ilość emitowanej energii jest determinowana przez temperaturę. Gdy temperatury są jednorodne, strumień promieniowania znajduje się w równowadze między obiektami i nie występuje wymiana energii cieplnej. Jednak równowaga ta ulega zmianie, gdy temperatury się zmieniają, a energia cieplna jest przenoszona z obszarów o wyższych temperaturach do obszarów o niższych temperaturach. Zrozumienie tych trzech mechanizmów przenoszenia ciepła ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji zarządzania temperaturą w urządzeniach elektronicznych i innych systemach. Poprzez manipulowanie tymi mechanizmami i kontrolowanie ich, inżynierowie i naukowcy mogą projektować i optymalizować materiały i systemy w celu osiągnięcia optymalnej wydajności cieplnej.

Techniki projektowania PCB do przenoszenia ciepła

Jeśli chodzi o zarządzanie ciepłem w płytkach PCB, możesz zastosować kilka technik. Dostępne opcje to:

• Radiatory. Ta technika wykorzystuje duże metalowe elementy o wysokiej przewodności. Elementy te mocuje się do elementów wytwarzających ciepło, odsłaniając większą powierzchnię na działanie powietrza. Taka konfiguracja obniża opór cieplny, a wentylator chłodzący dodatkowo zwiększa przepływ ciepła.
• Miedziane odlewy. Po wypełnieniu niewykorzystanych miejsc metalem i uziemieniu metalu, każdy element na płytce PCB z łatwością połączy się z uziemieniem.
• Przelotki termiczne. Często stosowane w połączeniu z wylewkami miedzianymi, przelotki termiczne tworzą ścieżkę do miedzi i elementów PCB.
• Przelotki wypełnione miedzią. Przelotki mogą być wypełnione miedzią w celu poprawienia wymiany ciepła.
• Materiały o wyższej przewodności cieplnej. Materiały takie jak aluminium, ceramika i rdzeń miedziany są stosowane w celu poprawy przewodności cieplnej PCB.