7 Belangrijke PCB-thermische beheertechnieken: Betrouwbaarheid verhogen in automobiel-, LED- en industriële producten

Afbeelding bron: Internet

INHOUD​

• Belangrijkste punten​
• Het belang van PCB-thermisch beheer​
• 7 Belangrijkste PCB-thermisch beheertechnieken​
• Toepassingen in de praktijk en casestudies​
• Uitdagingen en overwegingen​
• Tips voor effectief PCB-thermisch beheer​
• FAQ​

Belangrijkste punten​
  1. In high-power toepassingen zoals automotive, LED en industriële producten is effectief PCB-thermisch beheer cruciaal voor het waarborgen van de betrouwbaarheid van componenten en het verlengen van de levensduur van het product.​
  2. Een combinatie van technieken zoals het gebruik van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, het optimaliseren van de PCB-lay-out en het implementeren van actieve en passieve koelmethoden kan de warmteafvoer aanzienlijk verbeteren.​
  3. Thermisch beheer voorkomt niet alleen oververhitting, maar verbetert ook de algehele prestaties van elektronische apparaten.​

Het belang van PCB-thermisch beheer​

In moderne elektronica worden energieverslindende componenten kleiner en dichter op elkaar gepakt. In automotive-systemen bijvoorbeeld genereren high-power halfgeleiders in elektrische voertuig (EV)-omvormers en geavanceerde bestuurdersassistentiesystemen (ADAS)-processors aanzienlijke warmte. In LED-verlichting moeten high-brightness LED's de warmte efficiënt afvoeren om hun lichtopbrengst te behouden. Industriële apparatuur, met zijn continue werking en hoge vermogensvereisten, staat ook voor aanzienlijke thermische uitdagingen.​

Overmatige warmte kan leiden tot degradatie van componenten, een kortere levensduur en zelfs systeemuitval. Effectief PCB-thermisch beheer is dus essentieel om componenten binnen hun optimale bedrijfstemperatuurbereik te houden.​

7 Belangrijkste PCB-thermisch beheertechnieken​

1. PCB-materialen met hoge thermische geleidbaarheid

PCB's op aluminiumbasis zijn kosteneffectief en worden veel gebruikt in LED-verlichting vanwege hun vermogen om warmte van LED's af te voeren. PCB's op koperbasis, met hun extreem hoge thermische geleidbaarheid, zijn geschikt voor toepassingen waar grote hoeveelheden warmte snel moeten worden overgedragen. PCB's op keramische basis bieden uitstekende thermische en elektrische eigenschappen, waardoor ze ideaal zijn voor zware omgevingen.

2. Thermische vias​
Thermische vias zijn kleine gaten in de PCB die zijn gevuld met een zeer geleidend materiaal, meestal koper. Ze fungeren als warmtekanalen en transporteren warmte van hete componenten op het oppervlak naar interne lagen of koellichamen. Door een verticaal thermisch pad te creëren, kunnen thermische vias de thermische weerstand aanzienlijk verminderen. Het plaatsen van een array met hoge dichtheid van thermische vias onder high-power componenten, zoals power MOSFET's in automotive elektronica of high-brightness LED's, kan de warmte effectief van de bron afvoeren.​

3. Koellichamen​
Koellichamen zijn thermisch geleidende structuren, meestal gemaakt van aluminium of koper, die aan high-power componenten worden bevestigd. Ze vergroten het oppervlak dat beschikbaar is voor warmteafvoer, waardoor warmte efficiënter kan worden overgedragen naar de omringende lucht. In automotive ECU's (Electronic Control Units) en industriële bedieningspanelen worden koellichamen vaak gebruikt om processors en vermogenstransistors te koelen. Het ontwerp van koellichamen, inclusief het aantal vinnen, de vinhoogte en de vinafstand, kan worden geoptimaliseerd voor verschillende toepassingen om de warmteoverdracht te maximaliseren.​

4. Thermische interface materialen (TIM's)​
TIM's, zoals thermische pasta, thermische pads en faseveranderingsmaterialen, worden gebruikt om de openingen tussen componenten en koellichamen of PCB's op te vullen. Ze verbeteren het thermische contact door de thermische weerstand aan de interface te verminderen. In LED-modules worden thermische pads vaak gebruikt om warmte van de LED-die naar het aluminium substraat over te brengen. In automotive vermogenselektronica worden hoogwaardige thermische pasta's aangebracht tussen het halfgeleiderpakket en het koellichaam om de efficiëntie van de warmteoverdracht te verbeteren.​

5. PCB-lay-out optimalisatie​
Componentplaatsing: High-power componenten moeten in de buurt van de randen van de PCB worden geplaatst voor een betere luchtstroom of dicht bij koellichamen. In automotive PCB's worden energie-intensieve componenten zoals IGBT's (Insulated-Gate Bipolar Transistors) in EV-omvormers geplaatst in gebieden met goede ventilatie. Warmtegevoelige componenten moeten uit de buurt worden gehouden van warmtegenererende bronnen.​
Koperen vlakken en sporen: Het vergroten van de dikte van koperen vlakken en sporen kan hun warmtespreidingscapaciteiten verbeteren. In industriële vermogens-PCB's worden dikke koperen sporen gebruikt om hoge stromen te geleiden en warmte af te voeren. Bovendien kan het creëren van grote koperen gietgebieden rond high-power componenten helpen om de warmte gelijkmatiger te verdelen.​

6. Geforceerde luchtkoeling (ventilatoren)​
Ventilatoren kunnen worden gebruikt om de convectieve warmteoverdracht te verbeteren. In high-power industriële apparatuur en sommige automotive toepassingen zoals high-performance computing in ADAS-systemen, worden ventilatoren geïnstalleerd om lucht over de PCB te blazen, waardoor warmte wordt afgevoerd. De snelheid en richting van de luchtstroom kunnen worden geregeld om de koeling te optimaliseren. In een industriële computer van serverkwaliteit worden ventilatoren bijvoorbeeld strategisch geplaatst om ervoor te zorgen dat alle componenten, vooral high-power CPU's en GPU's, effectief worden gekoeld.​

7. Vloeistofkoeling​
Vloeistofkoelsystemen, zoals koude platen, worden gebruikt in toepassingen waar een hoge warmteafvoer vereist is. In EV's worden vloeistofgekoelde koude platen gebruikt om het batterijbeheersysteem en de vermogenselektronica te koelen. De vloeistof, meestal een mengsel van water en glycol, absorbeert warmte van de componenten en transporteert deze naar een radiator voor afvoer. Vloeistofkoeling biedt hogere warmteoverdrachtssnelheden in vergelijking met luchtkoelmethoden, waardoor het geschikt is voor high-power, ruimtebeperkte toepassingen.

Toepassingen in de praktijk en casestudies​

  1. Automotive: In het batterijbeheersysteem (BMS) van een elektrisch voertuig wordt een combinatie van PCB's op koperbasis, thermische vias en vloeistofgekoelde koude platen gebruikt. De PCB's op koperbasis transporteren efficiënt warmte van de batterijcellen naar de koude plaat, terwijl thermische vias de warmteoverdracht tussen verschillende lagen van de PCB verbeteren. Dit zorgt voor de veilige en efficiënte werking van het BMS, waardoor de levensduur van de batterij wordt verlengd.​

  2. LED-verlichting: In een high-power LED-straatverlichting wordt een PCB op aluminiumbasis met koellichamen en thermische pads gebruikt. Het aluminium substraat voert warmte af van de LED's, de koellichamen vergroten het oppervlak voor warmteafvoer naar de lucht en thermische pads verbeteren het thermische contact tussen de LED's en de PCB. Dit resulteert in een langer meegaande en efficiëntere LED-straatverlichting.​

  3. Industrieel: In een high-power industriële omvormer worden PCB's op keramische basis, koellichamen en geforceerde luchtkoeling gecombineerd. De keramische PCB is bestand tegen hoge temperaturen, de koellichamen helpen warmte af te voeren van vermogenshalfgeleiders en het geforceerde luchtkoelsysteem zorgt voor continue en efficiënte koeling tijdens de werking van de omvormer.​

Uitdagingen en overwegingen​

  1. Kosten: Hoogwaardige thermische beheer materialen en componenten, zoals PCB's op keramische basis en geavanceerde vloeistofkoelsystemen, kunnen duur zijn. Ontwerpers moeten de kosten afwegen tegen de prestatie-eisen.​

  2. Ruimtebeperkingen: In compacte elektronische apparaten kan het vinden van ruimte voor koellichamen, ventilatoren of vloeistofkoelcomponenten een uitdaging zijn. De PCB-lay-out moet zorgvuldig worden geoptimaliseerd om het meeste uit de beschikbare ruimte te halen.​

  3. Betrouwbaarheid: De extra componenten en systemen die worden gebruikt voor thermisch beheer, zoals ventilatoren, moeten betrouwbaar zijn. Een storing in het koelsysteem kan leiden tot oververhitting en schade aan componenten.​

Tips voor effectief PCB-thermisch beheer​

  1. Thermische simulatie: Gebruik thermische simulatiesoftware, zoals ANSYS Icepak of FloTHERM, in de ontwerpfase om de warmteverdeling te voorspellen en het thermische beheerontwerp te optimaliseren.​
  2. Componentselectie: Kies indien mogelijk componenten met een lager stroomverbruik en betere thermische eigenschappen.​
  3. Regelmatig onderhoud: Zorg in toepassingen met ventilatoren of vloeistofkoelsystemen voor regelmatig onderhoud om het koelsysteem efficiënt te laten werken.​

FAQ​
Wat is de meest effectieve thermische beheertechniek?​
Er is geen one-size-fits-all antwoord. De meest effectieve techniek hangt af van de vermogensvereisten, ruimtebeperkingen en kostenbeperkingen van de toepassing. In veel gevallen is een combinatie van technieken de beste aanpak.​

Kan ik thermische vias gebruiken in een flexibele PCB?​
Ja, maar er zijn speciale overwegingen nodig. Flexibele PCB's met thermische vias vereisen een zorgvuldig ontwerp om ervoor te zorgen dat de vias buigen kunnen weerstaan en hun thermische geleidbaarheid behouden.​

Hoe kies ik het juiste koellichaam voor mijn toepassing?​
Houd rekening met factoren zoals het warmteafvoer van de component, de beschikbare ruimte, de werkomgeving (bijv. temperatuur, vochtigheid) en de vereiste koelprestaties. Fabrikanten van koellichamen leveren meestal gegevensbladen om te helpen bij de selectie.​

Kortom, effectief PCB-thermisch beheer is een veelzijdige aanpak die materiaalselectie, lay-outontwerp en koelmethoden combineert. Door deze 7 belangrijke technieken te implementeren, kunnen ontwerpers de betrouwbaarheid en prestaties van automotive, LED en industriële producten aanzienlijk verbeteren, zodat ze soepel werken, zelfs onder hoge temperatuuromstandigheden.