In der heutigen schnelllebigen Welt werden elektronische Geräte immer kleiner, während gleichzeitig ihre Funktionalität zunimmt. Um mit diesem Trend Schritt zu halten, muss sich auch das Design von Leiterplatten weiter entwickeln und kompakter werden. Stellen Sie sich eine kleine Leiterplatte vor, die eine Vielzahl von elektronische Bauteile, die alle Wärme erzeugen. Ohne wirksame Wärmemanagementmaßnahmen werden der normale Betrieb und die Lebensdauer der Geräte beeinträchtigt. Eine der effektivsten Möglichkeiten für ein optimales Wärmemanagement der Leiterplatte ist der Anschluss eines Leiterplattenkühlkörpers. In diesem Artikel stellen wir diese wichtige Komponente umfassend vor, einschließlich ihrer Materialien, Funktionsprinzipien, Anwendungsszenarien, Auswahlhilfe usw.
Was ist ein PCB-Kühlkörper?
Der PCB-Kühlkörper ist eine passive Wärmemanagementkomponente, die normalerweise aus Metall besteht, einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Seine Hauptfunktion besteht darin, die von den elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte erzeugte Wärme durch Wärmeleitung zu absorbieren und abzuleiten, wodurch die Gerätetemperatur in einem sicheren Betriebsbereich gehalten und Schäden oder Leistungseinbußen verhindert werden.
Materialien des PCB-Kühlkörpers
Die folgenden Materialien werden häufig zur Herstellung von Kühlkörpern für Leiterplatten verwendet:
- Aluminium: Aluminium ist das am häufigsten verwendete Kühlkörpermaterial. Es ist leicht und weist eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Wichtiger noch: Es ist günstiger als andere Kühlkörpermaterialien und wird daher häufig verwendet.
- Kupfer: Es hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium, ist aber auch teurer. Daher wird es häufig zur Herstellung von Kühlkörpern für Hochleistungsanwendungen verwendet.
- Aluminiumlegierungen: Verschiedene Aluminiumlegierungen bieten verbesserte mechanische Eigenschaften und können an spezifische Anforderungen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit angepasst werden.
- Graphit: Graphit ist zwar kein Metall, hat aber eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und kann in PCB-Kühlkörpern verwendet werden, insbesondere in Anwendungen, bei denen das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt.
- Keramik: Sie eignet sich besonders dort, wo neben der Wärmeableitung auch eine elektrische Isolierung erforderlich ist. Allerdings leitet Keramik Wärme im Allgemeinen nicht so gut wie Metalle.
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle zum Vergleich dieser Materialien unter verschiedenen Gesichtspunkten:
| Werkstoff | Wärmeleitfähigkeit (W/mK) | Kosten | Körpergewicht | Elektrische Isolierung | Allgemeine Anwendungen |
| Aluminium | ~ 205 | Niedrig | Light | Nein | Allgemeine Verwendung, vielseitig einsetzbar |
| Kupfer | ~ 385 | Hoch | Stark | Nein | Hochleistungsanwendungen |
| Aluminiumlegierungen | Variabel (~120-220) | Konservativ | Light | Nein | Anwendungen, die spezielle mechanische Eigenschaften erfordern |
| Graphite | ~150-400 (anisotrop) | Moderat-Hoch | Sehr leicht | NEIN | Gewichtskritische Anwendungen |
| Keramik | Variabel (20-200) | Moderat-Hoch | Konservativ | Ja | Elektrische Isolierung erforderlich |
Wie funktioniert ein PCB-Kühlkörper?
Die grundlegende Funktionsweise eines PCB-Kühlkörpers basiert auf dem Prinzip der Wärmeleitung. Die von den PCB-Komponenten erzeugte Wärme wird effektiv auf den Kühlkörper übertragen, ein speziell dafür entwickeltes Bauteil. Komponenten auf einer PCB erzeugen im Betrieb häufig Wärme und erzeugen Bereiche mit hohen Temperaturen. Der Kühlkörper, der so konstruiert ist, dass er niedrige Wärmewiderstand, fungiert als Wärmebrücke und leitet die Wärme von den Komponenten ab. Es verfügt typischerweise über eine große Oberfläche, oft mit Lamellen versehen, um eine effiziente Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu ermöglichen.
Befestigungsmethoden für Leiterplatten-Kühlkörper
PCB-Kühlkörper können auf verschiedene Arten auf der PCB montiert werden, darunter:
Wärmeleitkleber: Wärmeleitkleber (Paste oder Klebeband) sind einfach und effektiv und bieten eine dauerhafte Verbindung. Sie eignen sich für viele Anwendungen, machen spätere Anpassungen jedoch schwierig.
Druckstifte: Druckstifte eignen sich ideal zum Befestigen größerer Kühlkörper, bieten eine starke Befestigung durch die Leiterplatte und lassen sich leichter entfernen als Klebstoffe.
Clips und Halterungen: Diese ermöglichen eine sichere, werkzeuglose Befestigung, die praktisch für Anwendungen ist, bei denen der Kühlkörper entfernt oder angepasst werden muss.
Schraubmontage: Schrauben ermöglichen eine dauerhafte Verbindung und erfordern Löcher oder Abstandshalter auf der Leiterplatte, ermöglichen jedoch ein einfaches Anbringen und Lösen.
Schnappbefestigung: Bei leichteren Kühlkörpern ermöglichen Schnappbefestigungen eine schnelle und werkzeuglose Installation und Entfernung.
Thermisches Epoxidharz: Ähnlich wie Klebstoffe bieten thermische Epoxidharze eine stärkere Bindung, sind dauerhaft und verfügen über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit.
Lötanker: Bei Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit wird der Kühlkörper direkt auf die Leiterplatte gelötet, um maximale Haltbarkeit und thermische Effizienz zu gewährleisten, ist aber dauerhaft.
Situationen Whier PCB-Kühlkörper Sind Gebrauchte
Wie ermitteln wir beim Entwurf einer Leiterplatte, ob ein Kühlkörper erforderlich ist? Im Folgenden sind Situationen aufgeführt, in denen üblicherweise Leiterplattenkühlkörper verwendet werden:
- Wenn beim Leiterplattendesign Prozessoren wie CPU, GPU und MPU verwendet werden, ist normalerweise ein Kühlkörper erforderlich.
- Bei Leistungskomponenten wie Leistungsreglern, Leistungsverstärkern und Netzteilen ist ein Kühlkörper für die Leiterplatte erforderlich. Denn solche Komponenten neigen dazu, mehr Wärme abzuleiten.
- Wenn sich zu viele und zu dichte Bauteile auf der Leiterplatte befinden, entsteht mehr Wärme. In diesem Fall müssen wir zusätzlich einen Kühlkörper verwenden, um die Temperatur der Bauteile zu senken.
- Überlegen Sie, ob je nach Anwendungsbereich der Leiterplatte ein Kühlkörper erforderlich ist. Wird die Leiterplatte beispielsweise in einer Umgebung mit hohen Temperaturen eingesetzt, ist ein Kühlkörper ebenfalls unerlässlich.
Tipps zum PCB-Kühlkörperdesign
Nur durch die Entwicklung eines geeigneten Kühlkörpers erreichen Sie ein optimales Wärmemanagement. Hier sind einige grundlegende Tipps zur Entwicklung von PCB-Kühlkörpern:
- Materialauswahl
Aluminium ist leichter und relativ günstig, während Kupfer eine bessere Wärmeleitfähigkeit bietet. Daher müssen bei der Auswahl von Kühlkörpermaterialien deren Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Kosten, Gewicht usw. umfassend berücksichtigt werden. - Oberflächenmaximierung
Bei der Konstruktion eines Kühlkörpers können Sie die Oberfläche des Leiterplattenkühlkörpers durch den Einsatz von Lamellen oder Stiften vergrößern, um die Wärmeableitung zu verbessern. Dies liegt daran, dass durch ein solches Design mehr Luft durch den Kühlkörper strömen kann und die Wärme dadurch effizienter abgeführt wird. - Luftstromoptimierung
Gestalten Sie die Anordnung und Positionierung des Kühlkörpers so, dass die natürliche oder erzwungene Luftzirkulation im Gerät optimal genutzt wird. Die Ausrichtung der Lamellen sollte mit der Luftströmungsrichtung übereinstimmen, um die Wärmeableitung zu maximieren. - Platzbeschränkung
Es ist entscheidend, dass ausreichend Platz für die Montage des Kühlkörpers auf der Leiterplatte vorhanden ist. Beispielsweise kann die Wahl von flachen Kühlkörpern in Szenarien mit Höhenbeschränkung eine effiziente Wärmeableitung ermöglichen, ohne diese räumlichen Grenzen zu überschreiten. - Simulation und Test
Nachdem wir den Kühlkörperentwurf fertiggestellt haben, müssen wir mithilfe einer Wärmesimulationssoftware die Leistung des Kühlkörpers unter verschiedenen Betriebsbedingungen vorhersagen und sicherstellen, dass er die vorgesehene Leistung erreichen kann.
Fazit
Ein PCB-Kühlkörper verbessert die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit elektronischer Geräte, indem er die überschüssige Wärme der Komponenten auf der Leiterplatte effizient ableitet. Mit diesem Blog möchten wir branchenführende Praktiken beim Entwurf von Leiterplattenkühlkörpern vorstellen und wertvolle Einblicke für Ihre Projekte bieten. Als Branchenexperte mit langjähriger Erfahrung im PCB-Bereich ist MOKO Technology kompetent in der Entwicklung und Herstellung verschiedener Leiterplatten. Wenn Sie weitere Fragen zum PCB-Wärmemanagement haben oder Fragen haben, hochwertige PCB-Design-Dienstleistungen von uns, bitte Natürlich können Sie uns bei . Kontaktieren Sie uns jetzt!
