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

Lawrence Romine
|  Created: February 24, 2017  |  Updated: September 25, 2020
PCB mit SMT heat sink
Bildquelle: Flickr-Benutzer bengt-re (CC BY 2.0)
 

Wie wichtig sind PCB-Heatsinks?

Es ist ein heißer Sommertag im schwülen Brooklyn... Ihr Ventilator befindet sich an einer ungünstigen Stelle in Ihrer vollgestopften Wohnung und Sie werden die Hitze einfach nicht los. Wenn Sie nur den Grundriss Ihrer Wohnung so ändern könnten, dass der Ventilator Luft in Ihre Richtung bläst, um Sie abzukühlen. 

Dasselbe gilt für Ihr PCB-Heatsink-Design, wenn Ihre SMT-Kühlkörper (Surface Mount Technology) nicht richtig auf den Luftstrom ausgerichtet sind oder nicht die richtige Form für die Wärmeübertragung an die Luft haben. Nur leider kann Ihre Leiterplatte die zusätzliche Wärme nicht durch Schwitzen ausgleichen. Mit dem richtigen Design verhindern Sie, dass Ihre Leiterplatte verbrennt. 

Layout-Support in Altium 365

Wie Sie wissen, ist ein SMT-Kühlkörper nicht von den normalen Löt- und Reflow-Prozessen bei der Herstellung von Halbleiterschaltkreisen betroffen, und sie sind einzigartig, weil sie die Wärme durch Wärmeleitung ableiten. Darüber hinaus schaffen die hochgezogenen Flügel eine größere Oberfläche und erleichtern somit die Verlustleistung. 

Eine effiziente Kühlung kann durch Veränderung der Wärmeaustauschflächen oder durch den Einsatz stärkerer Ventilatoren erreicht werden. Bei SMTs reicht der laminare Luftstrom von einfachen Rippen in der Regel nicht aus, um die Wärme abzuführen. Daher untersuchen Designer verschiedene Rippenformen, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Beispielsweise erhöhen gezackte Rippen den Wärmeaustausch an der Oberfläche sowie die Luftturbulenz, wobei einige Designs hohle Rippen und Rippen mit zusätzlichen Ausschnitten verwenden.  

Nahaufnahme PCB-Komponente mit PCB-Heatsink
Caption: Bildquelle: Flickr-Benutzer Tom Purves (CC BY 2.0)

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.
PCB-Heatsink Beispiel für unterschiedliche Rippenstrukturen 
Bildquelle: Flickr-Benutzer Engineerography Blog (CC BY 2.0)

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%.     

Arbeiten mit SMDs in Altium Designer

Die Wahl des richtigen PCB-Heatsinks macht zwar Spaß, kann aber auch zeitintensiv sein. Altium Designer® vereinfacht Ihr Leben, indem es die SMT-Regeln für Sie im Auge behält, so dass Sie sich auf die effektive Kühlung Ihrer Platine konzentrieren können. Mit professioneller PCB-Design-Software verbringen Sie weniger Zeit mit mühsamen Regeln und haben somit mehr Zeit, sich auf Ihr PCB-Design zu konzentrieren.

Mit dem neuen Altium 365 steht außerdem eine CAD-Platform zur Verfügung, mit der Sie eine noch bessere Kommunikation gewährleisten können, und zwar von überall aus.

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Als Vordenker der EDA-Branche und erfahrener Experte bei Altium ist Lawrence fest davon überzeugt, dass einheitliche Lösungen nicht nur schön, sondern auch unerlässlich sind.

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