Ein Ratgeber zum Board-Design, mit dem Sie Wärmefehler vermeiden können

Wenn Sie Ihr Wärmemanagement nicht frühzeitig im Entwicklungsprozess durchdenken, zahlen Sie hierfür nicht nur finanziell den Preis. Obwohl die finanziellen Auswirkungen erheblich sein können, kann eine ungenügende Kühllösung unter anderem auch zu verpassten Fristen, Produktfehlern und -rückrufen, einer kostspieligen Neugestaltung und Nachbesserung, verschrotteten Materialien, Sicherheitsbedenken und jeder Menge Frustration führen.

Zu den Auswirkungen einer suboptimalen Kühllösung zählen negative Produktbewertungen, eine geringere Verlässlichkeit, eine niedrigere Produkthaltbarkeit, Geräuschprobleme, höhere Wartungskosten und eine schlechtere Gesamtleistung des Produkts. Außerdem ermöglicht sie keine Aufwärtskompatibilität. Eine schlechte Lösung lässt sich nicht für die nächste Generation von Produkten verwenden, aber eine optimierte Lösung bahnt den Weg für eine Nachfolgeversion.

Kurzum: Es ist wichtig, dass Sie sich die Zeit nehmen und die Mühe machen, Ihre Kühllösung zu optimieren, und dies in einem frühen Stadium Ihres Designprozesses tun.

Wenn Sie Ihr Board unter Berücksichtigung der richtigen Kühlung entwerfen, kann sich das gesamte Layout Ihres Boards ändern. Es ist üblich, dass Ingenieure ihre Platine entwerfen und herstellen lassen, nur um zu erkennen, dass es keinen Platz für die Montage ihres Kühlkörpers gibt oder dass die erforderliche Lösung einfach zu groß für ihr Endprodukt ist.

Thermomanagement ist oft ein nachträglicher Einfall, und viele glauben, dass sie einfach einen Kühlkörper mit der richtigen Grundfläche finden und ihn einfach darauf kleben. Die Realität ist, dass es viele Faktoren gibt, um den richtigen Kühlkörper zu wählen und Ihr Board so zu gestalten, dass es richtig untergebracht ist.

Der Standort Ihrer Wärmequellen und anderer Komponenten beeinflusst die Größe und Form unserer Kühllösung. Umgekehrt, wenn Sie das System aus einem anderen Blickwinkel betrachten, beeinflussen die Größe und Form Ihrer Kühllösung, wo Sie Ihre Wärmequellen platzieren sollten. Montagelöcher wirken sich auf das Routing von Leiterbahnen aus und können die Montage an bestimmten Stellen verhindern. Die RAM-Position kann ein entscheidender Faktor für die Größe des Kühlkörpers sein, aber die Größe Ihres Kühlkörpers wirkt sich dann darauf aus, wo Sie Ihren RAM platzieren können.

Während des gesamten Prozesses müssen Sie Ihr Endprodukt berücksichtigen. Berührungstemperatur, Luftstrom, direkter Umgebungsluftkontakt sind alles wichtige Faktoren. Die Größe und Form des Gehäuses sowie die Größen- und Gewichtsanforderungen Ihres Produkts wirken sich jeweils auf Ihre Wärmemanagemententscheidungen sowie auf Ihr Platinenlayout aus.

Allzu oft entwerfen und drehen Ingenieure ihre Platine nur mit der elektronischen Funktion im Hinterkopf. Dies kann leicht dazu führen, dass vergessen wird, dass Ihre thermische Lösung in vielen Fällen die größte Komponente auf Ihrer Platine sein kann oder dass sie einen Fließweg oder Belüftungslöcher erfordert. Bevor Sie also Ihr Board drehen, planen Sie, Platz für Ihre Thermomanagementlösung zu schaffen, und berücksichtigen Sie Ihr Vollkarton und Ihre Verpackung. Stellen Sie sich bei der Planung unbedingt die folgenden Fragen:

Wenn Sie aufgrund von Designbeschränkungen für Ihr Endprodukt keinen Kühlkörper einbauen können, sollten Sie die Verwendung von Thermovias in Ihrer Platine in Betracht ziehen. Thermische Durchkontaktierungen sind leitfähige Spuren in Ihrer Leiterplatte, die dazu beitragen, die Wärme von Ihrer Wärmequelle weg zu verteilen.

Stellen Sie sicher, dass genügend Volumen zur Verfügung steht, um einen Kühlkörper zu platzieren. Wenn Sie möglicherweise einen Kühlkörper benötigen, der größer ist als Ihre Wärmequelle, sollten Sie sicherstellen, dass sich keine höheren Komponenten in der Nähe befinden, die die Platzierung Ihres Kühlkörpers beeinträchtigen würden. Platzieren Sie beispielsweise RAMs (vertikal über der Platine) nicht sehr nahe an einem Prozessor, da dieser möglicherweise einen Kühlkörper benötigt.

Wenn Sie mehrere Geräte haben, die gekühlt werden müssen, sollten Sie in Betracht ziehen, sie nahe genug zu platzieren, um einen Kühlkörper für mehrere Geräte verwenden zu können. Dies trägt dazu bei, die Produktkomplexität und die Montagezeit zu verringern. Denken Sie daran, dass dies nur bis zu einem bestimmten Punkt funktioniert. Wenn die Geräte eine höhere Leistung ableiten, sollten Sie sie auf der Platine platzieren und Platz für separate, größere Kühlkörper schaffen.

Wenn Sie Montagematerial verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie Durchkontaktierungen und andere Geräte von Bereichen wegführen, in denen Sie möglicherweise Löcher oder Löthaken platzieren müssen, um größere Kühlkörper aufzunehmen. Beachten Sie, dass Band, wenn Sie es verwenden, nicht so robust ist wie physische Hardware. Tape bietet nicht die gleiche thermische Leistung wie dünnes Bondlinien-Schnittstellenmaterial in Kombination mit einer mechanischen Befestigungsmethode.

Ob Sie einen Lüfter benötigen oder nicht, hängt von Faktoren wie der Leistungsdichte, der Gesamtleistung und der Verfügbarkeit von Umgebungsluft ab. Überlegen Sie, ob Ihr gesamtes Board gekühlt werden muss oder nur ein einzelnes Gerät. Dies wird helfen, Ihr Board-Layout und die Platzierung Ihres Lüfters zu bestimmen.

Vernachlässigen Sie nicht den Luftvorwärmeffekt sowohl bei der passiven als auch bei der aktiven Kühlung. Halten Sie die temperaturempfindlichsten Geräte vor dem Luftstrom. Versuchen Sie, die Wärmeableitungsgeräte entlang der Richtung des Luftstroms zu staffeln, um die Erwärmung zu minimieren.

Ihre Kühllösung wird komplexer, wenn Sie Wärme durch ein Gehäuse ableiten oder belüften müssen. Möglicherweise müssen Sie einen externen Kühlkörper in Betracht ziehen oder Ihr Gehäuse als Kühlkörper verwenden. Luft-Luft-Wärmetauscher sind ebenfalls eine praktikable Option.

Der Lamellenabstand Ihres Kühlkörpers muss optimiert werden, um den Schornstein- (oder Schornstein-) Effekt optimal zu nutzen. Dies ist, wenn die erzeugte Wärmemenge in Kombination mit der Ausrichtung und dem Abstand Ihrer Kühlkörperlamellen dazu führt, dass sich die Wärme schneller von der Wärmequelle bewegt. Eine unsachgemäße Ausrichtung hemmt die thermische Leistung Ihres Kühlkörpers.

• Nicht genügend Platz für einen "Keep Out" -Bereich um das Gerät herum lassen, um den Kühlkörper unterzubringen.
• Ohne Berücksichtigung des Luftstroms auf Systemebene und der Platzierung des Air Movers. Ein Beispiel dafür wäre das Platzieren von hohen oder sperrigen Geräten im Strömungspfad, wodurch der Luftstrom verboten wird.
• Routing-Schaltungen in einem Bereich, in dem Montagelöcher entfernt werden müssten.
• Suboptimale RAM-Platzierung, die den Luftstrom, die natürliche Konvektion oder die Platzierung des Kühlkörpers behindert.
• Ohne Berücksichtigung der Rückseite der Leiterplatte. Zum Beispiel, keinen Platz für Push-Pins und Montagematerial zuzulassen.

• Das Hinzufügen eines Lüfters zu einer thermischen Konvektionslösung mit natürlicher Konvektion steigert schnell die Leistung. Obwohl dieser Fix mit seinen eigenen Überlegungen kommt. Dazu gehören Stromverbrauch, Geräusche und zusätzliche Lautstärke.
• Sorgen Sie für zusätzliche Belüftung, indem Sie Öffnungen in Ihr Gehäuse schneiden. Beachten Sie, dass sich diese Option auf die IP-Bewertungen auswirken kann.
• Das Hinzufügen eines kleinen Kupferstreuers, der manchmal als "thermisches Pflaster" bezeichnet wird, kann helfen, wenn Sie nur Ihre thermische Leistung leicht steigern müssen. Diese Lösungen eignen sich am besten für Low-Profile-Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch.
• Tauschen Sie Ihren aktuellen Kühlkörper gegen einen mit ähnlichem Platzbedarf, aber besseren thermischen Eigenschaften aus. Beispiele hierfür wären der Austausch eines Aluminiumkühlkörpers gegen einen Kupferkühlkörper oder der Austausch Ihres Kühlkörpers durch eine fortschrittliche Lamellenlösung, um mehr Oberfläche zu ermöglichen. In diesem Szenario können die Kosten ein limitierender Faktor sein.

Die Behandlung des Wärmemanagements als nachträglicher Einfall kann katastrophal sein. Obwohl es eine Reihe von Verbesserungen gibt, die angewendet werden können, um Ihre Lösung zu "reparieren", ersetzt nichts das Entwerfen Ihres Boards unter Berücksichtigung Ihrer Kühllösung. Wenn Sie vorausschauend denken, können Sie kostspielige Fehler vermeiden und sicherstellen, dass Ihr Produkt für Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer optimiert ist.

Boyd Design kann helfen. Boyd bietet Engineering-Dienstleistungen bereits bei der Konzeptentwicklung und bis hin zum kompletten Retrofit an. Unsere Ingenieure können sie während des gesamten Produktentwicklungszyklus vom Konzept über die Fertigung bis hin zu zukünftigen Generationen kontinuierlich unterstützen. Indem Sie Boyd zu Beginn hinzuziehen, kann Ihr Team nicht nur die Folgen eines unzureichenden Wärmemanagements vermeiden, sondern auch sicherstellen, dass Ihr Produkt vollständig für den Erfolg optimiert ist.