Передача тепла на печатной плате: понимание управления тепловым режимом на печатных платах

Печатные платы (ПП) генерируют тепло в процессе работы. Чтобы предотвратить тепловые повреждения, необходимо использовать правильные методы отвода тепла, обеспечивающие рассеивание этой энергии.

Основы теплопередачи

На фундаментальном уровне обсуждение теплопередачи охватывает два ключевых аспекта: температуру и тепловой поток. Температура относится к уровню доступной тепловой энергии, в то время как тепловой поток описывает перемещение тепловой энергии из одного места в другое. На микроскопическом уровне тепловая энергия напрямую связана с кинетической энергией молекул. Чем выше температура материала, тем сильнее тепловое движение его молекул. Обычно области с более высокой кинетической энергией передают её областям с более низкой. Несколько свойств материала могут эффективно регулировать перенос тепла между двумя областями с разной температурой. К этим свойствам относятся теплопроводность, плотность материала, скорость и вязкость жидкости. В совокупности эти свойства значительно усложняют решение многочисленных задач теплопередачи. Теплопроводность является критически важным свойством теплопередачи, поскольку определяет способность материала проводить тепло. Материалы с высокой теплопроводностью могут передавать тепло более эффективно, чем материалы с низкой теплопроводностью. Плотность материала также является важным фактором, поскольку более плотные материалы могут накапливать больше тепловой энергии и помогают регулировать изменения температуры во времени. Скорость и вязкость жидкости также могут влиять на теплопередачу, поскольку жидкости с высокой скоростью и низкой вязкостью могут переносить тепло быстрее, чем жидкости с низкой скоростью и высокой вязкостью.

Механизмы теплопередачи

Механизмы теплопередачи можно в целом разделить на три группы: Проводимость: включает в себя передачу тепловой энергии из областей с более высокой молекулярной кинетической энергией в области с более низкой кинетической энергией посредством прямых столкновений молекул. В металлах электроны зоны проводимости также могут переносить часть энергии из одной области в другую. Конвекция: когда тепло генерируется в электронном устройстве, оно переносится посредством теплопроводности в соседнюю область, которая затем передает тепло жидкости. Этот процесс известен как конвекция, и жидкость может принимать форму газа, например воздуха, или обычной жидкости, например воды. Излучение: все материалы излучают тепловую энергию, и количество излучаемой энергии определяется температурой. При однородной температуре поток излучения между объектами находится в равновесии, и обмен тепловой энергией отсутствует. Однако это равновесие меняется при изменении температуры, и тепловая энергия передается из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой. Понимание этих трех механизмов теплопередачи имеет решающее значение для оптимизации терморегулирования электронных устройств и других систем. Управляя этими механизмами и контролируя их, инженеры и ученые могут проектировать и оптимизировать материалы и системы для достижения оптимальных тепловых характеристик.

Методы проектирования печатных плат для передачи тепла

Для управления теплом на печатных платах можно использовать несколько методов. Вот некоторые из них:

• Радиаторы. В этом методе используются крупные металлические детали с высокой теплопроводностью. Эти детали крепятся к деталям, выделяющим тепло, и обеспечивают большую площадь поверхности для контакта с воздухом. Такая конструкция снижает тепловое сопротивление, а охлаждающий вентилятор дополнительно усиливает отвод тепла.
• Медные заливки. Если заполнить неиспользуемые области металлом и заземлить его, любой компонент на печатной плате легко подключится к земле.
• Тепловые переходные отверстия. Тепловые переходные отверстия, часто используемые с медными заливками, создают путь к меди и компонентам печатной платы.
• Заполненные медью переходные отверстия. Для улучшения теплопередачи переходные отверстия можно заполнить медью.
• Материалы с более высокой теплопроводностью. Такие материалы, как алюминий, керамика и медный сердечник, используются для улучшения теплопроводности печатной платы.