PCB-Heatsinks zur Maximierung der PCB-Kühlung für oberflächenmontierbare Kühlkörper

So wählen Sie den richtigen PCB-Heatsink

Ich liebe es, wenn ich den perfekten Heatsink finde. Wenn man einfach den erforderlichen Wärmewiderstand berechnet und einen akzeptablen Stiftkühlkörper auf die Leiterplatte setzt, kann dies ein scheinbar schneller Prozess sein. Mit ein wenig Nachdenken kann man jedoch auch eine effizientere Lösung für die Wärmeableitung der Leiterplatte finden. Es ist genau diese Herausforderung, durch die das Design mit PCB-Kühlkörpern spannend wird! Die wichtigsten Dinge, die es bei der Auswahl zu berücksichtigen gilt, sind:

• Das Material: Kupfer vs. Aluminium: Es ist wichtig, den Temperaturmanagement-Kompromiss zwischen Kupfer und Aluminium zu verstehen. Während Kupfer für die Wärmeübertragung bevorzugt wird, hat Aluminium den Designvorteil, billiger und leichter zu sein. Einen schwereren Kühlkörper auf einer Platine zu haben, kann Nachteile haben. Ein Designvorschlag ist die Kombination einer Kupfer-Basisplatte mit einem Aluminium-Kühlkörper, um die Wärme von der CPU abzuleiten.
• Ripppen-Konfiguration: Die Geometrie und Anordnung der Rippen sind wichtige Faktoren für die Wärmeableitung. Beispielsweise verbessert das Schneiden von Rippen in kurze Abschnitte die Wärmeübertragung an der Rippenoberfläche (insbesondere wenn die Luftströmung aus nicht vorhersehbaren Richtungen kommt). Auch vergrößerte Rippen optimieren durch die Krümmung des Metalls im Verhältnis zur Luft die Wärmeübertragung. Der Wärmewiderstand nimmt mit der Anzahl der verwendeten Rippen ab.
• Der Fußabdruck: Ein zu großer PCB-Heatsink kann ein Problem darstellen (und sogar eine Überlastung Ihrer Platine verursachen). Außerdem sind Sie angesichts des Trends zu immer kleineren Produktdesigns und Elektronikgeräten wahrscheinlich auf der Suche nach Möglichkeiten, um den Fußabdruck zu minimieren.
• Die Höhe: Auch die Höhe Ihrer Kühlrippen ist für die Wärmeableitung auf Ihrer Platine wichtig. Der Wärmewiderstand nimmt mit zunehmender Rippenhöhe ab. Es kann jedoch sein, dass Sie irgendwann einen Kompromiss eingehen und eine kürzere Rippe bevorzugen, um einen anderen Designaspekt zu berücksichtigen.
• Befestigungsmethode: Die Befestigungsmethode wird zwar manchmal übersehen, kann das Wärmeverhalten Ihrer Leiterplatte aber erheblich beeinträchtigen. Zu den Befestigungsmethoden gehören Wärmeleitkleber, Epoxidharz und Clips. Sie sollten ein bisschen weiter recherchieren, um die Vor- und Nachteile der verschiedenen Befestigungsmethoden abzuwägen. So ist z.B. Thermoklebeband bei Aluminium billig und einfach zu verwenden, hält aber in bestimmten Situationen nicht unbedingt sicher.

Stiftkühlkörper sind ein offensichtliches Mittel zur Wärmeableitung, da sie im Allgemeinen die größte Oberfläche haben. Um ihre Wirksamkeit zu maximieren, müssen Sie als Designer jedoch die Luftströmungsdynamik im Auge behalten. Um Ihnen die Zeit und Energie für die Entwicklung Ihrer CFD-Software zu ersparen, sind hier einige grundlegende Regeln:

• Stiftkühlkörper funktionieren am besten, wenn die Luft axial entlang der Stifte strömt. Wenn Ihr Design eng ist und dies keine praktikable Option darstellt, können Sie die Verwendung eines geraden Rippenkühlkörpers in Betracht ziehen.
• Es hat sich gezeigt, dass gerade Rippenkühlkörper die Leistung von Stiftrippen übertreffen, wenn der Luftstrom tangential zum Körper verläuft.

Vergessen Sie nicht die Luftgeschwindigkeit 

Die Geschwindigkeit Ihres Luftstroms kann die erwartete Leistung verändern. Zwar ist eine dichte Rippenstruktur attraktiv, da sie die Oberfläche vergrößert, jedoch erhöht sie auch den Luftwiderstand, wenn der Luftstrom zu gering ist, was Ihnen nicht viel nützen wird.

Um das Problem von Umgebungen mit geringer Luftströmung (~ 1m/s) in den Griff zu bekommen, wurden Designs mit ausgestellten Rippen getestet und es hat sich gezeigt, dass sie die PCB-Heatsinks mit geraden Rippen übertreffen. Beispielsweise übertreffen gespreizte Stiftkühlkörper in Umgebungen mit geringem Luftdurchsatz ihre geraden Stiftkühlkörper um 20-30% und ausgestellte ihre geraden Pendants um mindestens 20%.     

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