Přenos tepla na deskách plošných spojů: Pochopení tepelného managementu v deskách plošných spojů

Desky plošných spojů (PCB) při provozu generují teplo. Abyste zabránili poškození teplem, potřebujete správné techniky toku tepla, které zajistí rozptýlení této energie.

Základy přenosu tepla

Na základní úrovni se diskuse o přenosu tepla zabývá dvěma klíčovými aspekty: teplotou a tepelným tokem. Teplota se vztahuje k mírě dostupné tepelné energie, zatímco tepelný tok popisuje pohyb tepelné energie z jednoho místa na druhé. Na mikroskopické úrovni je tepelná energie přímo spojena s kinetickou energií molekul. Čím vyšší je teplota materiálu, tím větší je tepelné míchání jeho molekul. Je normální, že oblasti s vyšší kinetickou energií ji přenášejí do oblastí s nižší kinetickou energií. Několik materiálových vlastností může účinně regulovat přenos tepla mezi dvěma oblastmi s různými teplotami. Mezi tyto vlastnosti patří tepelná vodivost, hustota materiálu, rychlost kapalin a viskozita kapalin. Tyto vlastnosti dohromady značně komplikují řešení mnoha problémů s přenosem tepla. Tepelná vodivost je kritickou vlastností při přenosu tepla, protože určuje schopnost materiálu vést teplo. Materiály s vysokou tepelnou vodivostí mohou přenášet teplo efektivněji než materiály s nízkou tepelnou vodivostí. Hustota materiálu je také důležitým faktorem, protože hustší materiály mohou akumulovat více tepelné energie a pomáhat regulovat změny teploty v čase. Rychlosti a viskozity tekutin mohou také ovlivnit přenos tepla, protože tekutiny s vysokými rychlostmi a nízkou viskozitou mohou přenášet teplo rychleji než tekutiny s nízkými rychlostmi a vysokou viskozitou.

Mechanismy přenosu tepla

Mechanismy přenosu tepla lze obecně rozdělit do tří skupin: Vedení: Jedná se o přenos tepelné energie z oblastí s vyšší molekulární kinetickou energií do oblastí s nižší kinetickou energií prostřednictvím přímých srážek molekul. V kovech mohou elektrony vodivostního pásma také přenášet část energie z jedné oblasti do druhé. Konvekce: Když se v elektronickém zařízení generuje teplo, je transportováno vedením do sousední oblasti, která jej poté přenáší na kapalinu. Tento proces je známý jako konvekce a kapalina může mít formu plynu, jako je vzduch, nebo běžné kapaliny, jako je voda. Záření: Všechny materiály emitují tepelnou energii a množství emitované energie je určeno teplotou. Pokud jsou teploty rovnoměrné, je radiační tok mezi objekty v rovnováze a nedochází k výměně tepelné energie. Tato rovnováha se však mění, když se teploty mění, a tepelná energie se přenáší z oblastí s vyššími teplotami do oblastí s nižšími teplotami. Pochopení těchto tří mechanismů přenosu tepla je klíčové pro optimalizaci tepelného řízení elektronických zařízení a dalších systémů. Manipulací a řízením těchto mechanismů mohou inženýři a vědci navrhovat a optimalizovat materiály a systémy tak, aby dosáhli optimálního tepelného výkonu.

Techniky návrhu desek plošných spojů pro přenos tepla

Pokud jde o regulaci tepla v deskách plošných spojů, můžete použít několik technik. Mezi vaše možnosti patří:

• Chladiče. Tato technika využívá velké kovové kusy s vysokou vodivostí. Tyto kusy se připevňují k částem, které produkují teplo, a vystavují větší povrch vzduchu. Toto uspořádání snižuje tepelný odpor a s chladicím ventilátorem dále zvyšujete tok tepla.
• Měď se odlévá. Když vyplníte nevyužité oblasti kovem a kov uzemníte, jakákoli součástka na desce plošných spojů se snadno připojí k zemi.
• Tepelné průchodky. Tepelné průchodky, často používané u měděných litin, vytvářejí cestu k mědi a součástkám na desce plošných spojů.
• Mědí vyplněné průchodky. Průchodky lze vyplnit mědí pro zlepšení přenosu tepla.
• Materiály s vyšší tepelnou vodivostí. Pro zlepšení tepelné vodivosti desky plošných spojů se používají materiály jako hliník, keramika a měděné jádro.