Wie ein gutes PCB-Layout Ihnen helfen kann, Kühlkörper in Ihrem Design zu vermeiden

April 12, 2017 Altium

Dysfunctional computer monitor

Produkte zurückzurufen, wie zum Beispiel defekte Computer-Monitore, ist eine finalzielle Belastung, die vermieden werden kann

 

Vor vielen Jahren habe ich mir selbst einen neuen Computer-Monitor gekauft. Dieses Wunderwerk war imstande, die höchsten Auflösungen und Farbtiefen darzustellen, die die Computer-Technologie zu bieten hatte. Ich konnte meine Begeisterung kaum zurückhalten, als ich ihn anschloss und begann, mit verschiedenen Anwendungen zu experimentieren, um seine Fähigkeiten zu testen. Alles funktionierte wundervoll. Also verließ ich mein Büro, um mit meinem neuen Display zu prahlen. Als ich zurückkam, war ich schockiert, denn das Display war jetzt ein flackerndes Durcheinander. Ich schaltete ihn aus und wieder ein, um zu sehen, ob er sich wieder erholen würde, aber das tat er nicht. Mein neuer Monitor war anscheinend kaputt.

Nachdem ich auf der Suche nach der Lösung des Problems etwas herumgestöbert habe, konnte ich den Fall letztendlich lösen. Es stellte sich heraus, dass das Video-Modul direkt über dem Netzteil montiert war. Dadurch erhitzte sich das Video-Modul so stark, bis er nicht mehr gemäß seinen technischen Daten funktionierte. Und genau das führte zu meinem verzerrten Display. Die Lösung war einfach: Man hätte einen Hitzeschild installieren müssen, um so die Wärmeenergie vom Video-Modul wegzuleiten. Das heißt, dass das tatsächliche Problem im Design des Produkts bestand. Das Video-Modul hätte nicht so nah an einer Wärmequelle liegen dürfen.

Hitze - der schlimmste Feind einer jeden Leiterplatte

Jeder weiß, dass übermäßige Hitze Bauelemente zerstören oder ihre technischen Daten verändern kann. Jedoch ist es oft nicht klar, wann Hitze ein Problem sein wird. Manchmal können Probleme beim Wärmemanagement nur besonders schwer behoben werden und zudem erst in ungewöhnlichen Situationen auftreten. Zum Beispiel, wenn extreme Temperaturen vorliegen. Vielmehr treten Probleme bei der Wärmeableitung erst mit der Zeit auf, wie zum Beispiel eine Lötstelle, die aufgrund von Wärmeausdehnung und -schrumpfung über zahlreiche Wärmezyklen hinweg bricht. Diese Probleme bei der Wärmeableitung können beim Testen unentdeckt bleiben. Von daher ist es wichtig, Ihre Leiterplatte richtig zu entwerfen, um diese Situationen von Beginn an zu vermeiden.

Components on a PCB
Beachten Sie die Lage von externen Wärmequellen, bevor Sie Bauteile auf Ihrer Leiterplatte anordnen

Was muss ein PCB-Designer tun?

Im PCB-Design ist es geläufig, Hitze mit Kühlkörpern, Ventilatoren, Durchkontaktierungen und anderen Techniken abzuschwächen. Diese können sehr effektiv sein, machen das Design aber teurer und komplexer. Die günstigste und zuverlässigste Lösung ist, eine Leiterplatte so zu entwerfen, dass ungewünschte Wärmeeinstrahlung von externen Quellen kein Problem darstellt. Umgehen Sie das Problem durch ein gutes Design, packen Sie es nicht mit überflüssigen Bauteilen voll!

Wenn Sie Ihr Design planen, vergessen Sie nicht, dass Ihre Leiterplatte Teil eines größeren Systems ist. Sie müssen die Platzierung von wärmeerzeugenden Bauteilen sowohl relativ zueinander auf der Platine als auch zu den anderen Teilen des Gesamtprodukts beachten. Da die Lage der Leiterplatten abhängig vom Gerät, wofür sie entworfen wurden, variiert, können sich externe Wärmequellen in drei Dimensionen um Ihre Leiterplatte befinden. In Anbetracht dessen sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

  • Isolierung der Wärmequellen: Isolieren Sie die wärmeerzeugenden Teilsysteme in Ihrem Layout, wie zum Beispiel das Netzteil, sodass sie keine Auswirkungen auf andere Bauteile haben.

  • Andere Baugruppen: Es besteht die Möglichkeit, dass nahegelegene Baugruppen wärmeerzeugende oder wärmeempfindliche Bauteile enthalten.

  • Physikalische Teile: Mechanische Teile, Kabel und Auflagerahmen können Wärme von Ihrer Platine absorbieren und auf andere Teile des Produkts übertragen. Dies umfasst Teile, mit denen der Benutzer in Berührung kommen könnte.

  • Das Gehäuse: Als Designer stehen wir unter konstantem Druck, unsere Produkte kleiner und kompakter zu machen. Das heißt, dass die Gehäuse um die Leiterplatten kompakter werden. Wir müssen uns Gedanken machen, wie dies die Wärmeübertragung von unserer Leiterplatte aus beeinträchtigen wird. Engere Räume bieten weniger Möglichkeiten für eine Konvektionskühlung und es besteht ein höheres Risiko einer leitenden Wärmeübertragung auf andere empfindliche Bereiche.

PCB in product enclosure
Beachten Sie, wie kompakt Ihr Gehäuse sein wird. Dies könnte Ihr Layout beeinflussen

 

Denken Sie beim Entwerfen Ihrer Leiterplatte in einem dreidimensionalen Raum

 

Sie entwerfen Ihre Leiterplatte nicht in einem Vakuum. Sie müssen sich Ihr Design von Anfang an in drei Dimensionen vorstellen. Überlegen Sie, wie Ihre Bauteile miteinander interagieren werden und wie sie den Raum um die Leiterplatte herum beeinflussen.

Um dies zu tun, empfehle ich, die technischen Daten des Produkt-Designs zu prüfen, um zu sehen, wie Ihre Leiterplatte im Produkt platziert ist und welche Elemente in der Nähe sind. Merken Sie sich alles, das hitzeempfindlich sein könnte, bevor Sie mit Ihrem Layout beginnen. Diese Informationen werden die ersten weitgehenden Schritte in Ihrem Design beeinflussen und können Ihnen helfen, eine spätere Überarbeitung zu vermeiden, was immer schwieriger ist. Als Nächstes sollten Sie überlegen, wie die Leiterplatte im Gehäuse positioniert ist. Wenn es ein enger Einbauraum ist oder falls es beschränkende Bereiche gibt, sollten Sie das Verbauen von wärmeerzeugenden Bauteilen dort, wo sie ihre Wärme nicht ableiten können, vermeiden.

Wenn Ihr Computer-Monitor noch funktioniert (im Gegensatz zu meinem), sollten Sie erwägen, die in Ihrer professionellen PCB-Design-Software enthaltenden Design-Werkzeuge zur Hilfe zu nehmen. Viele Programme, wie zum Beispiel Altium Designer, ermöglichen es Ihnen, Abstände um Ihre Bauteile herum zu definieren und zu überprüfen, ob die Abstände im Design eingehalten werden. Die Software kann Sie unterstützen, indem Abstandsregeln für Ihre wärmeerzeugenden und -empfindlichen Bauteile definiert werden. Schließlich können Sie Ihr Design mit einem Thermalanalysewerkzeug simulieren, um starke Erwärmungen hervorzuheben und das Layout anzupassen, sodass diese verringert werden.

Sorgen Sie dafür, dass Ihre Leiterplatten kühl und gelassen bleiben

Hitze ist eine ständige Herausforderung im PCB-Design und wird eine noch größere Herausforderung darstellen, da Produkte immer kompakter werden. Sorgfältiges Vorausdenken und Planen kann dabei helfen, wärmebezogene Probleme zu vermeiden, die schwer zu reproduzieren, beheben und reparieren sind. Niemand möchte mitansehen, wie ihr neuer Computer-Bildschirm schmilzt. Noch schlimmer, kein Unternehmen möchte ein Produkt zurückrufen. Vermeiden Sie dies, indem Sie die Experten bei Altium kontaktieren, um mehr Informationen zu guten Design-Methoden und PCB-Werkzeugen für ein optimiertes Wärmemanagement zu erhalten.

 
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