PCB-Wärmemanagement: Passive vs. aktive Kühlung

Warum das Schicksal Ihres Designs vom PCB-Wärmemanagement abhängt

Selbst wenn ein Teil, das für eine Lebensdauer von 10 Jahren bei 70 °C ausgelegt ist, bei 90 °C betrieben wird, beträgt seine Lebensdauer nur 2,5 Jahre. Diese thermische Schuld führt zu:

• Leistungsdrosselung: CPUs und GPUs reduzieren ihre Leistung, um sich nicht selbst zu zerstören.
• Probleme mit der Signalintegrität: Leiterbahnen, deren elektrische Eigenschaften sich mit der Temperatur ändern, werden zur Quelle von Datenfehlern.
• Versagen von Komponenten: Kondensatoren trocknen aus, Lötstellen bekommen Risse, und Siliziumverbindungen versagen.

Eine wirksame thermische Kontrolle der Leiterplatte sorgt für eine gute Wärmeleitung nach außen, wohin die Wärme nach Verlassen der Wärmequelle fließen soll, und dient als Backup, um solche Ausfälle zu verhindern. Erfahrene PCB-Designer sind sich der Tatsache bewusst, dass das Management von Wärmeabfuhr wirkt sich positiv auf die Zuverlässigkeit des Systems und seine thermische Leistung aus.

Passives PCB-Wärmemanagement verstehen

Passives Wärmemanagement benötigt keine zusätzliche Energie zur Kühlung eines Geräts. Es basiert ausschließlich auf den wichtigsten Gesetzen der Thermodynamik: Leitung, Konvektion und Strahlung - die alle die Grundlage für die Wärmeleitung in elektrischen Systemen bilden.

• Leitung: Direkte Kontaktwärmeübertragung (z. B. zwischen einem Bauteil und der Leiterplatte).
• Konvektion (natürlich): Wärmeübertragung durch Bewegung der Luft. Heiße Luft wird durch natürliche Prozesse nach oben befördert, und die kühlere Luft wird nach innen befördert, um den Platz der heißen Luft einzunehmen.
• Strahlung: Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Strahlung.

Das Ziel einer passiven Strategie ist es, das Maximum aus diesen natürlichen Prozessen herauszuholen. Sie ist langlebig (wenige bewegliche Komponenten) und völlig geräuschlos. Diese Techniken erfordern ein gutes thermisches Design und eine gute Materialauswahl, um sicherzustellen, dass die Wärme gut abgeleitet wird, ohne Energie zu verschwenden.

Schlüsseltechniken für die Beherrschung des Wärmemanagements bei passiven Leiterplatten

Der erste Schritt vor dem Einbau eines Lüfters besteht darin, die Kühlkapazität Ihrer Leiterplatte zu maximieren. Dies ist die Grundlage aller thermischen Designpläne und einer der Gründe, warum die effektive Wärmeableitung immer gleich ist.

Strategische Platzierung von Komponenten: Ihre erste Verteidigungslinie

Ihre PCB-Layout-Software ist das günstigste thermische Werkzeug.

• Quellen und Opfer auf der Karte: Bestimmen Sie heiße Komponenten (CPUs, FPGAs, Leistungsregler) und empfindliche Komponenten (Kondensatoren, Oszillatoren).
• Raum: Platzieren Sie heiße Bauteile nicht dicht nebeneinander, da dies einen Hot Spot bildet. Die Verteilung der Bauteile führt dazu, dass die Leiterplatte ein natürlicher Wärmeüberträger ist.
• Respektieren Sie den Luftstrom: Stellen Sie empfindliche Teile außerhalb des Abluftweges von heißen Teilen auf. Stellen Sie einen 10-W-Regler nicht in Sichtweite einer empfindlichen Kondensatorbank auf.
• Das Gehäuse als Kühlkörper: Befestigen Sie die heißen Teile in der Nähe der Leiterplattenkante, damit sie thermisch mit dem Metallgehäuse verbunden werden können. Diese Kopplung und die Effizienz der gesamten Wärmeleitung werden durch die richtige Materialwahl verbessert, z. B. durch hochleitende Kupferschichten.

Kupfer wirksam einsetzen: Thermische Durchkontaktierungen und Kupferebenen

Ihr FR-4-Substrat ist ein thermischer Isolator (~0,25 W/mK). Ihr Kupfer ist ein Wärmeleiter (~400 W/mK). Ihr Ziel ist es, mit Kupfer eine Wärmeautobahn zu schaffen.

• Kupfer gießt: Verwenden Sie große, massive Kupferebenen (Masse und Strom) als Wärmeableiter. Eine 2-Unzen-Kupferschicht (70 µm dick) hat einen deutlich geringeren Wärmewiderstand als eine 1-Unzen-Schicht (35 µm) und verbessert die seitliche Wärmeausbreitung drastisch.
• Thermische Durchgänge: Diese sind entscheidend. Ein Thermal Via ist eine Reihe von Durchkontaktierungen, die unter dem Wärmeleitpad eines Bauteils platziert sind und dieses mit einer großen Kupferebene auf einer anderen Schicht "vernähen". Dadurch wird die Wärme durch das isolierende FR-4 auf eine größere Oberfläche (wie eine interne Grundplatte) übertragen, wo sie sich ausbreiten kann. Um einen maximalen Effekt zu erzielen, sollten Sie Durchkontaktierungen verwenden und diese frühzeitig in das Leiterplattenlayout integrieren.

Die Rolle von Wärmesenken (Heatsinks): Verstärkung der natürlichen Konvektion

Wenn die eigene Oberfläche einer Komponente nicht ausreicht, wird ein Kühlkörper hinzugefügt. Ein Kühlkörper ist eine passive Komponente, die die für die natürliche Konvektion verfügbare Oberfläche erheblich vergrößert.

Mehr Oberfläche bedeutet mehr Kontakt mit der Luft und mehr Wärmeabgabe. Für die natürliche Konvektion werden Kühlkörper mit relativ spärlichen, hohen Rippen benötigt, damit die Luft zwischen ihnen aufsteigen kann, ohne sie einzuschließen. In Verbindung mit soliden thermischen Konstruktionsprinzipien gewährleisten diese Methoden eine gleichmäßige und effektive Wärmeableitung in allen Bereichen.

Die nächste Stufe: Was macht aktives PCB-Wärmemanagement aus?

Sie haben also Ihr Layout optimiert, verwenden 2oz Kupfer und haben sogar einen Kühlkörper hinzugefügt, und Ihr Gerät überhitzt immer noch?

Hier stößt die passive Kühlung an ihre Grenzen. Die passive Kühlung hängt von dem natürlichen Temperaturunterschied zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungsluft ab. Wenn das Bauteil übermäßig viel Wärme produziert oder die Umgebungsluft bereits heiß ist, ist die natürliche Konvektion nicht so effektiv, um eine optimale Leistung oder konstante Wärmeübertragung innerhalb des Systems zu gewährleisten.

Aktives Wärmemanagement kann als die Zuführung von Energie in das System, z. B. durch Lüfter oder Pumpen, bezeichnet werden, um den Wärmeübertragungsmechanismus zu bewirken. Sie ersetzt die schwache natürliche Konvektion durch eine viel stärkere erzwungene Konvektion, die heute eine der besten thermischen Kontrollmethoden in der Elektronik ist.

Schlüsseltechniken für die Implementierung eines aktiven PCB-Wärmemanagements

Die aktiven Maßnahmen bestehen aus einfachen Lüftern und hochentwickelten Flüssigkeitskühlsystemen, die alle darauf abzielen, den Wärmefluss und die Wärmeableitung in leistungsstarken oder kompakten Räumen zu verbessern.

Forcierte Luftkühlung: Die Rolle von Ventilatoren und Gebläsen

Dies ist die am weitesten verbreitete und am wenigsten teure aktive Kühlung. Kühle Luft innen und heiße Luft außen durch Hinzufügen eines Lüfters, daher sind sie in der Lage, die Temperaturen konstant zu halten, auch dort, wo sich keine Luft bewegt, wie an der Seite der Platte, wo die eingeschlossene Wärme aufsteigen kann.

Bei der Auswahl eines Ventilators müssen Sie zwei Dinge abwägen:

1. Luftstrom (CFM - Cubic Feet per Minute): Die Luftmenge, die der Lüfter in einem leeren Raum befördern kann. Große und offene Gehäuse werden am besten mit einer hohen CFM gekühlt.
2. Statischer Druck (mmH 2 O): Die Kraft, die der Lüfter gegen den Widerstand ausüben kann. Der Luftstrom wird in einem dicken 1U-Servergehäuse behindert. Um die Luft in engen Bereichen zu bewegen und eine gute Zirkulation aufrechtzuerhalten, benötigen Sie einen Hochdrucklüfter (auch als Gebläse bezeichnet), der die Luft dorthin befördert, wo sie benötigt wird.

Flüssigkeitskühlung: Kühlplatten und geschlossene Kreislaufsysteme

Bei extremen thermischen Belastungen (z.B. in Hochleistungsrechenzentren) ist Luft als Kühlmedium nicht ausreichend. Die thermische Kapazität von Wasser ist mehr als 3.000 Mal größer als die von Luft.

Bei einem Flüssigkeitskühlsystem wird eine Kühlflüssigkeit durch eine Kühlplatte gepumpt, die an dem heißen Teil angebracht ist. Die Wärme wird von der Flüssigkeit absorbiert, in einen Kühler gepumpt (wo die Ventilatoren die Flüssigkeit kühlen) und die kühle Flüssigkeit wird zurückgeführt. Dieser Hightech-Wärmekontrollansatz sorgt für einen gleichmäßigen Wärmefluss im gesamten Kreislauf und bietet eine stabile thermische Umgebung für Hochleistungssysteme, selbst in schwierigen Systemen.

Fortschrittliche Lösungen: Wärmerohre und thermoelektrische Kühler (TECs)

• Wärmerohre: Diese sind Supraleiter für Wärme. Das geschlossene Kupferrohr enthält eine Flüssigkeit, die, wenn sie Wärme aufnimmt, siedet und als Dampf zum sogenannten kalten Ende fließt, kondensiert und ihre Wärme abgibt. Die Flüssigkeit wird zum heißen Ende zurückgeführt. Sie eignen sich auch sehr gut für den Transport von Wärme in enge Bereiche oder an die Seite der Leiterplatte zu einem entfernten Kühlkörper, den der Lüfter bewältigen kann.
• Thermoelektrische Kühler (Peltiers): Es handelt sich um kleine Wärmepumpen, die als Festkörpergeräte arbeiten. Durch das Anlegen eines Stroms wird die eine Seite kalt und die andere heiß. Sie werden eingesetzt, um bestimmte Sensoren punktuell zu kühlen, sind aber in der Regel unwirksam, da sie ihre eigene Wärme in das System einbringen, und tragen dennoch zu einer verbesserten Wärmeableitung in bestimmten Bereichen bei.

Passive vs. aktive Kühlung Kopf an Kopf

Ein Kompromiss beim Design ist die Entscheidung zwischen passiver und aktiver Kühlung. Hier sehen Sie, wie sie sich unterscheiden.

Der Wendepunkt: Wenn passive Kühlung nicht mehr ausreicht

Sie haben den Tiefpunkt erreicht. Ihre Simulationen deuten darauf hin, dass die Temperatur Ihres Bauteils in den roten Bereich (>100°C) ansteigt. Dies geschieht häufig aufgrund von:

1. Hohe Leistungsdichte (TDP): Ihr Bauteil erzeugt zu viel Wärme auf zu kleinem Raum.
2. Hohe Umgebungstemperatur: Ihr Gerät befindet sich an einem heißen Ort (in einer Fabrik oder im Auto).
3. Versiegeltes Gehäuse: Die Entwurf staub- und wasserdicht sein muss (z. B., IP67), d.h. es gibt kein Airfit.

Jetzt ist es an der Zeit, zu einer aktiven Lösung überzugehen. Dies bringt jedoch neue Probleme in Bezug auf Lärm, Zuverlässigkeit und Staub mit sich.

Die aktive Lösung: Zuverlässige Kühlung für kompakte Designs von ACDCFAN

Bei der Auswahl einer aktiven Lösung geht es nicht einfach darum, irgendeinen Lüfter einzubauen, sondern den richtigen Lüfter, der das thermische Problem behebt und nicht ein neues Wärmeproblem schafft.

Genau für dieses Problem wurde ACDFAN entwickelt. Unsere Ventilatoren sind hochzuverlässige Modelle, die in Konstruktionen eingesetzt werden, in denen Platzmangel herrscht und ein Ausfall nicht in Frage kommt.

• Lösen von Zuverlässigkeitsfragen: Die häufigste Befürchtung in Bezug auf die Zuverlässigkeit ist der Ausfall von Ventilatoren. Wir haben unsere Kerntechnologie, die die fortschrittlichsten Kugellager verwendet und damit in der Lage ist, bis zu eine MTBF (Mean Time Between Failure) von mehr als 70.000 Stunden. Das sind fast 8 Jahre Betrieb rund um die Uhr, was garantiert, dass die Lebensdauer unseres Ventilators der Ihres Produkts entspricht.
• Lösungen für raue Umgebungen: In staubigen, nassen oder hochgelegenen Umgebungen kann unser IP68-zertifizierte, staub- und wasserdicht gekapselte Ventilatoren kann den größten Schutz in der Branche bieten.
• Geräusch-Effizienz bei der Herstellung: Ein Lüfter mit der Geschwindigkeit 100% ist laut und verbraucht Strom. PWM (Pulsweitenmodulation) intelligente Drehzahlregelung ist in unseren Lüftern integriert. Auf diese Weise kann Ihr System bedarfsgerecht gekühlt werden, wobei es bei niedriger Last geräuschlos arbeitet und die Last nur unter schwierigen thermischen Bedingungen erhöht wird. Zusammen mit dem überlegenen Schaufeldesign sorgt dies für maximale Kühlung bei geringstem Geräuschpegel.

Wir bieten eine Lösung an, nicht ein Bauteil. Als vollständig konformes Design (RoHS 2.0, UL, CE, TUV, EMC)können wir eine technische Zwischenlösung für Ihren Entwurf anbieten innerhalb von 12 Stunden.

Wie entscheiden Sie, welche PCB-Kühlungsstrategie die richtige für Sie ist?

Dieser Entscheidungsfindungsrahmen sollte zur Gestaltung Ihrer ersten Strategie verwendet werden.

Schlussfolgerung

Beim Wärmemanagement von Leiterplatten geht es um Ausgewogenheit. Es geht nicht darum, sich für "passiv" oder "aktiv" zu entscheiden; es geht darum, mit einer robusten passiven Grundlage zu beginnen und zu wissen, wann man mit einer intelligenten aktiven Lösung darauf aufbaut.

Durch die Optimierung des Layouts und die Nutzung des Kupfers auf der Leiterplatte können Leiterplattendesigner eine "kostenlose" thermische Belastbarkeit einbauen. Aber wenn die Physik vorschreibt, dass passive Kühlung nicht ausreicht, ist eine hochwertige aktive Kühlungslösung kein Kompromiss, sondern ein Wegbereiter. Sie ermöglicht es Ihnen, die Grenzen der Leistung zu überschreiten, da Sie wissen, dass Ihr Design durch ein effektives Wärmemanagement geschützt und durch solide Wärmeableitungspraktiken geleitet wird.