Überblick über passive Wärmeableitungstechniken für PCBs

June 27, 2018

Thermometer
 

Ist Ihnen irgendwann einmal so heiß gewesen, dass Sie dachten, Sie würden wie ein Eis am Stiel dahin schmelzen? Der Sommer hier in Südkalifornien röstet einen so ziemlich und lässt mich immer von ein paar gefrorenen Eisportionen träumen. Wenn ich von der Arbeit nach Hause komme, drehe ich gern die Klimaanlage voll auf und tue so, als würde ich in einem Iglu leben. Aber noch schlimmer als das Braten in der Hitze ist, dass mein ganzes Geld für die Stromrechnung der Klimaanlage draufgeht. Andere Leute haben einen anderen Ansatz bei der Kühlung. Sie verwenden geometrische Formen oder Wärmetauscher zum passiven Kühlen ihrer Häuser. Auch wenn ich lachen muss, wenn ich ein hässliches Haus mit einer geodätischen Kuppel sehe, haben es ihre Besitzer doch schön kühl, und außerdem können sie ihr ihr Geld behalten. Das Kühlen Ihres PCB kann genauso aufwendig sein wie das Kühlen Ihres Hauses. Aktive Entwärmungssysteme brauchen Strom und nehmen viel Platz weg. Zu unserem Glück können PCBs aber auch passiv gekühlt werden. Zu den wichtigsten ohne Strom auskommenden Kühltechniken gehören die natürliche Konvektion, Wärmeverteiler und Wärmetauscher. Es gibt sogar eine bahnbrechende Tröpfchen-Kühltechnik, die in den nächsten Jahren herauskommen könnte.

 

Vorteile passiver Lösungen gegenüber aktiven

 

Normalerweise bevorzuge ich aktive Kühltechniken wie etwa eine Klimaanlage gegenüber passiven Verfahren wie übermäßigem Schwitzen. Das Problem bei der aktiven Kühlung von PCBs besteht darin, dass sie in der Regel zu viel Strom verbraucht und übermäßig Platz beansprucht.

 

Der Stromverbrauch scheint immer still und unbemerkt anzuwachsen. Mir ist nie bewusst, dass ich mehrere hundert Dollar für das Kühlen meines Hauses ausgegeben habe, bis ich dann die Rechnung bekomme. Dasselbe passiert bei Schaltungen. Die wichtigsten ICs nehmen schon so viel Leistung auf – wen kümmert es da schon, wenn man noch einen Lüfter mit wenigen Watt hinzufügt. Das mag so sein, aber wenn Ihre Anwendung selbst sehr sparsam ist, könnte der Mehrverbrauch für die Kühlung eine viel kürzere Akkulaufzeit zur Folge haben.

 

Einige Designer haben das Privileg, so viel Platz zur Verfügung zu haben, wie sie brauchen. Leider gehöre ich nicht dazu. Platz ist ein kostbares Gut bei den meisten meiner Projekte. Das bedeutet, dass ich platzraubende aktive Kühlelemente wie Lüfter minimieren muss, um Platz für meine Schaltungen zu schaffen.

 

Passive Kühlsysteme nutzen natürliche Phänomene, um Platinen abzukühlen, d. h. sie brauchen keinen Strom zum Funktionieren. Sie sind im Allgemeinen auch kleiner als aktive Systeme, obwohl das je nach Design variieren kann.

 

Lamellen-Kühlkörper
Kühlkörper sehen nicht nur cool aus, sondern helfen auch, Ihr PCB kühl zu halten.
 

Passive Kühlsysteme

Es gibt sicherlich noch mehr Kühltechniken als die, die ich hier erwähne. Allerdings gehören diese hier zu den häufigsten Kühlsystemen.

 

  • Natürliche Konvektion/Kühlkörper - Natürliche Konvektion ist genau das, wonach es sich anhört. Obwohl Sie nicht unbedingt Kühlkörper einsetzen müssen, um davon zu profitieren, sind diese dafür gut geeignet. Wenn sie richtig angeordnet sind, können Kühlkörper den natürlichen Luftstrom nutzen, um Wärme ohne eigenen Energieverbrauch abzuleiten. Wenn Sie den optimalen Kühlkörper entwerfen möchten, müssen Sie ein paar Berechnungen anstellen, um einen effizienten Luftstrom zu erhalten und die Grenzschicht zu minimieren. Diese Lösung ist extrem einfach, nimmt aber mehr Platz ein als andere passive Ansätze.

 

  • Ableitung und Abstrahlung/Wärmeverteiler – Konvektion hat mit Wärmeübertragung in Flüssigkeiten, Abstrahlung und Ableitung mit dem Wärmetransfer in Feststoffen zu tun. Wärmeverteiler sind normalerweise nicht das Rückgrat Ihres Wärmemanagements, sondern egänzen es. Grundsätzlich fungiert jedes Stück Metall als Wärmeverteiler, da es Wärmeenergie leitet. Um Leitung und Strahlung optimal zu nutzen, sollten Sie versuchen, so viel Wärme wie möglich zu den äußeren Schichten Ihrer Platine zu leiten, wo sie effizienter abgestrahlt werden kann. Sie können thermische Durchkontaktierungen verwenden, um Wärme anstelle von Elektrizität aus mehrlagigen Platinen nach draußen zu leiten. Großflächige Versorgungs- und Masseflächen tragen ebenfalls zur Wärmeableitung bei, denn größere Flächen strahlen effektiver ab.

 

  • Wärmetauscher – Wärmetauscher werden häufig in konventionellen Klimaanlageeinheiten eingesetzt. Sie verwenden ein Kältemittel und einen Verdampfungs- und Kondensationszyklus, um Wärme von einem Bereich zu einem anderen zu übertragen. Bei PCBs gibt es zwei Haupttypen von Wärmetauschern: Heatpipes (Wärmerohre) und Cold Plates (Kälteplatten). Der Hauptunterschied zwischen beiden sind die Abmessungen: Heatpipes sind dünn und Kälteplatten breit. Systeme dieser Art können sehr klein sein und Wärme effizient übertragen. Sie haben auch eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit, da es sich um in sich geschlossene Systeme ohne mechanische Teile handelt.

 

  • Tröpfchen-Kühlung – Diese experimentelle Art der Kühlung beruht auf der gleichen Art von Prozess wie in Wärmetauschern. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sich die Flüssigkeit in Wärmetauschern über eine relativ große Distanz horizontal bewegt, während sich die Flüssigkeit hier über eine kurze Strecke vertikal bewegt. Das Schöne an diesem System ist, dass es automatisch auf Hotspots reagiert, die in integrierten Schaltungen (ICs) entstehen. Darüber hinaus kann es Wärmeenergie wie ein Wärmeverteiler leiten und abstrahlen, allerdings deutlich wirkungsvoller, da die Wärme sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung geleitet werden kann.

 

verbrannter PC
Das passiert, wenn Sie gar keine Kühlung haben.
 

Ich kann Ihnen vielleicht nicht dabei helfen, die Sommerhitze zu besiegen, aber diese Techniken helfen Ihnen beim Kühlen Ihrer Platinen. All diese passiven Prozesse werden Strom sparen und in der Regel auch weniger Platz einnehmen als ein aktives System. Wenn Energie und Platz Ihre großen Sorgen sind, probieren Sie eines dieser Systeme aus.

 

Nun da Sie ein tolles Kühlsystem haben, brauchen Sie ein PCB dazu. Wenn Sie Platinen entwerfen, kann ich CircuitStudio empfehlen. Seine Fülle an hochentwickelten Tools hilft Ihnen, beim Erstellen von Layouts einen kühlen Kopf zu bewahren.

 

Haben Sie weitere Fragen zum Wärmemanagement? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.

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