Piirilevyjen lämmönsiirto: Lämmönhallinnan ymmärtäminen piirilevyissä

Painetut piirilevyt (PCB) tuottavat lämpöä toimiessaan. Lämpövaurioiden estämiseksi tarvitset oikeat lämmönsiirtotekniikat varmistaaksesi, että tämä energia haihtuu.

Lämmönsiirron perusteet

Perustasolla lämmönsiirtoa käsitellään kahdessa keskeisessä asiassa: lämpötilassa ja lämmönvirtauksessa. Lämpötila viittaa käytettävissä olevan lämpöenergian määrään, kun taas lämpövirtaus kuvaa lämpöenergian liikkumista paikasta toiseen. Mikroskooppisella tasolla lämpöenergia liittyy suoraan molekyylien kineettiseen energiaan. Mitä korkeampi materiaalin lämpötila on, sitä suurempi sen molekyylien lämpöliike. On normaalia, että alueet, joilla on korkeampi kineettinen energia, siirtävät sitä alueille, joilla on matalampi kineettinen energia. Useat materiaalin ominaisuudet voivat tehokkaasti säädellä lämmönsiirtoa kahden eri lämpötilassa olevan alueen välillä. Näitä ominaisuuksia ovat lämmönjohtavuus, materiaalin tiheys, nesteen nopeus ja nesteen viskositeetti. Yhdessä nämä ominaisuudet tekevät lukuisten lämmönsiirto-ongelmien ratkaisemisesta melko monimutkaista. Lämmönjohtavuus on kriittinen ominaisuus lämmönsiirrossa, koska se määrittää materiaalin kyvyn johtaa lämpöä. Materiaalit, joilla on korkea lämmönjohtavuus, voivat siirtää lämpöä tehokkaammin kuin materiaalit, joilla on alhainen lämmönjohtavuus. Materiaalin tiheys on myös tärkeä tekijä, koska tiheämmät materiaalit voivat varastoida enemmän lämpöenergiaa ja auttaa säätelemään lämpötilan muutoksia ajan myötä. Nesteiden nopeudet ja viskositeetit voivat myös vaikuttaa lämmönsiirtoon, koska suuret nopeudet ja matalat viskositeetit omaavat nesteet voivat siirtää lämpöä nopeammin kuin pienet nopeudet ja korkeat viskositeetit omaavat nesteet.

Lämmönsiirron mekanismit

Lämmönsiirtomekanismit voidaan karkeasti jakaa kolmeen ryhmään: Johtuminen: Tämä tarkoittaa lämpöenergian siirtymistä korkeamman molekyylikineettisen energian alueilta matalamman kineettisen energian alueille molekyylien suorien törmäysten kautta. Metalleissa johtavuusvyöhykkeen elektronit voivat myös kuljettaa osan energiasta alueelta toiselle. Konvektio: Kun elektronisessa laitteessa syntyy lämpöä, se siirtyy johtumisen kautta viereiseen alueeseen, joka sitten siirtää lämmön nesteeseen. Tätä prosessia kutsutaan konvektioksi, ja neste voi olla kaasun, kuten ilman, tai tavanomaisen nesteen, kuten veden, muodossa. Säteily: Kaikki materiaalit lähettävät lämpöenergiaa, ja säteilevän energian määrä määräytyy lämpötilan mukaan. Kun lämpötilat ovat tasaiset, säteilyvuo on tasapainossa kappaleiden välillä, eikä lämpöenergian vaihtoa tapahdu. Tämä tasapaino kuitenkin muuttuu, kun lämpötilat vaihtelevat, ja lämpöenergiaa siirtyy korkeamman lämpötilan alueilta matalamman lämpötilan alueille. Näiden kolmen lämmönsiirtomekanismin ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää elektronisten laitteiden ja muiden järjestelmien lämmönhallinnan optimoinnissa. Näitä mekanismeja manipuloimalla ja ohjaamalla insinöörit ja tiedemiehet voivat suunnitella ja optimoida materiaaleja ja järjestelmiä optimaalisen lämpötehon saavuttamiseksi.

Lämmönsiirron piirilevysuunnittelutekniikat

Piirilevyjen lämmönhallinnassa on muutamia tekniikoita, joita voi käyttää. Vaihtoehtoja ovat:

• Jäähdytyselementit. Tässä tekniikassa käytetään suuria, hyvin johtavia metallikappaleita. Nämä kappaleet kiinnitetään lämpöä tuottaviin osiin ja altistavat suuremman pinta-alan ilmalle. Tämä järjestely alentaa lämmönvastusta, ja jäähdytyspuhaltimen avulla parannat lämmönvirtausta entisestään.
• Kupari valuu. Kun täytät käyttämättömät alueet metallilla ja maadoitat metallin, mikä tahansa piirilevyn komponentti kytkeytyy maahan helposti.
• Lämpöläpiviennit. Usein kuparivalujen kanssa käytetyt lämpöläpiviennit luovat reitin kupariin ja piirilevyn komponentteihin.
• Kuparitäytteiset läpiviennit. Läpiviennit voidaan täyttää kuparilla lämmönsiirron parantamiseksi.
• Korkeamman lämmönjohtavuuden materiaalit. Materiaaleja, kuten alumiinia, keramiikkaa ja kupariydintä, käytetään parantamaan piirilevyn lämmönjohtavuutta.