7 Kỹ thuật quản lý nhiệt PCB chính: Tăng độ tin cậy trong ô tô, LED và các sản phẩm công nghiệp

Nguồn hình ảnh: Internet

Nội dung

• Những điều quan trọng
• Tầm quan trọng của quản lý nhiệt PCB
• 7 Kỹ thuật quản lý nhiệt PCB chính
• Các ứng dụng thực tế và các nghiên cứu trường hợp
• Thách thức và những cân nhắc
• Các mẹo quản lý nhiệt PCB hiệu quả
• Câu hỏi thường gặp

Những điều quan trọng
1Trong các ứng dụng năng lượng cao như ô tô, LED và các sản phẩm công nghiệp, quản lý nhiệt PCB hiệu quả là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của thành phần và kéo dài tuổi thọ sản phẩm.
2Một sự kết hợp của các kỹ thuật như sử dụng vật liệu dẫn nhiệt cao, tối ưu hóa bố cục PCB,và thực hiện các phương pháp làm mát tích cực và thụ động có thể cải thiện đáng kể sự phân tán nhiệt.
3Quản lý nhiệt không chỉ ngăn ngừa quá nóng mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của các thiết bị điện tử.

Tầm quan trọng của quản lý nhiệt PCB

Trong các thiết bị điện tử hiện đại, các bộ phận cần năng lượng ngày càng nhỏ hơn và đông đúc hơn.Các chất bán dẫn công suất cao trong các biến tần xe điện (EV) và các bộ xử lý hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) tạo ra nhiệt đáng kểTrong ánh sáng LED, đèn LED độ sáng cao cần phân tán nhiệt hiệu quả để duy trì hiệu quả ánh sáng của chúng.cũng phải đối mặt với những thách thức nhiệt đáng kể.

Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự phân hủy các thành phần, giảm tuổi thọ, và thậm chí cả sự cố hệ thống.Quản lý nhiệt PCB hiệu quả là điều cần thiết để giữ cho các thành phần trong phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu.

7 Kỹ thuật quản lý nhiệt PCB chính

1. Các vật liệu PCB dẫn nhiệt cao

PCB dựa trên nhôm là chi phí hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong ánh sáng LED do khả năng phân tán nhiệt từ LED.phù hợp với các ứng dụng cần chuyển nhanh lượng nhiệt lớnPCB dựa trên gốm cung cấp tính chất nhiệt và điện tuyệt vời, làm cho chúng lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt.

2. Thermal Vias
Các đường dẫn nhiệt là những lỗ nhỏ trong PCB được lấp đầy bằng vật liệu dẫn điện cao, thường là đồng.chuyển nhiệt từ các thành phần nóng trên bề mặt sang các lớp bên trong hoặc tản nhiệtBằng cách tạo ra một đường dẫn nhiệt dọc, đường dẫn nhiệt có thể làm giảm đáng kể sức đề kháng nhiệt.chẳng hạn như MOSFET năng lượng trong điện tử ô tô hoặc đèn LED độ sáng cao, có thể hút nhiệt hiệu quả ra khỏi nguồn.

3- Bồn rửa nhiệt.
Máy thu nhiệt là các cấu trúc dẫn nhiệt, thường được làm bằng nhôm hoặc đồng được gắn vào các thành phần năng lượng cao.cho phép chuyển nhiệt hiệu quả hơn sang không khí xung quanhTrong ECU ô tô (Đơn vị điều khiển điện tử) và bảng điều khiển công nghiệp, thùng tản nhiệt thường được sử dụng để làm mát bộ vi xử lý và bóng bán dẫn điện.bao gồm số lượng vây, chiều cao vây và khoảng cách vây, có thể được tối ưu hóa cho các ứng dụng khác nhau để tối đa hóa chuyển nhiệt.

4. Vật liệu giao diện nhiệt (TIM)
TIMs, chẳng hạn như dán nhiệt, miếng đệm nhiệt và vật liệu thay đổi pha, được sử dụng để lấp đầy khoảng trống giữa các thành phần và thùng dissipator nhiệt hoặc PCB.Chúng cải thiện tiếp xúc nhiệt bằng cách giảm kháng nhiệt tại giao diệnTrong các mô-đun LED, các bộ đệm nhiệt thường được sử dụng để chuyển nhiệt từ die LED sang nền nhôm.Các bột nhiệt hiệu suất cao được áp dụng giữa gói bán dẫn và tản nhiệt để tăng hiệu quả truyền nhiệt.

5. PCB Layout tối ưu hóa
Đặt thành phần: Các thành phần năng lượng cao nên được đặt gần các cạnh của PCB để lưu thông không khí tốt hơn hoặc gần các thùng thu nhiệt.Các thành phần sử dụng nhiều năng lượng như IGBT (Isolated - Gate Bipolar Transistors) trong các biến tần EV được đặt ở các khu vực có thông gió tốtCác thành phần nhạy cảm với nhiệt nên được giữ xa các nguồn tạo ra nhiệt cao.
Các tấm đồng và dấu vết: Tăng độ dày của tấm đồng và dấu vết có thể tăng khả năng lan truyền nhiệt của chúng.dấu vết đồng dày được sử dụng để mang dòng điện cao và phân tán nhiệtNgoài ra, tạo ra các khu vực đổ đồng lớn xung quanh các thành phần năng lượng cao có thể giúp phân phối nhiệt đồng đều hơn.

6. Không khí bị ép làm mát (Ventilator)
Những người hâm mộ có thể được sử dụng để tăng cường chuyển nhiệt thông qua luồng điện. Trong các thiết bị công nghiệp công suất cao và một số ứng dụng ô tô như tính toán hiệu suất cao trong hệ thống ADAS,quạt được cài đặt để thổi không khí trên PCB, mang ra nhiệt. Tốc độ và hướng của luồng không khí có thể được điều khiển để tối ưu hóa làm mát. Ví dụ trong một máy tính công nghiệp cấp máy chủ,quạt được đặt chiến lược để đảm bảo rằng tất cả các thành phần, đặc biệt là CPU và GPU công suất cao, được làm mát hiệu quả.

7- Làm mát bằng chất lỏng.
Hệ thống làm mát bằng chất lỏng, chẳng hạn như đĩa lạnh, được sử dụng trong các ứng dụng cần tiêu hao năng lượng cao.Các tấm lạnh làm mát bằng chất lỏng được sử dụng để làm mát hệ thống quản lý pin và điện tử điệnChất lỏng, thường là hỗn hợp nước và glycol, hấp thụ nhiệt từ các thành phần và chuyển nó đến lò sưởi để tiêu tan.Làm mát bằng chất lỏng mang lại tốc độ chuyển nhiệt cao hơn so với phương pháp làm mát bằng không khí, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng năng lượng cao, không gian hạn chế.

Các ứng dụng thực tế và các trường hợp nghiên cứu

1Ô tô: Trong hệ thống quản lý pin của xe điện (BMS), một sự kết hợp của PCB dựa trên đồng, đường nhiệt và các tấm lạnh làm mát bằng chất lỏng được sử dụng.Các PCB dựa trên đồng truyền nhiệt hiệu quả từ các tế bào pin đến tấm lạnh, trong khi đường nhiệt tăng cường chuyển nhiệt giữa các lớp khác nhau của PCB. Điều này đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của BMS, kéo dài tuổi thọ của pin.

2. Đèn LED: Trong đèn đường LED công suất cao, một PCB dựa trên nhôm với thùng thu nhiệt và đệm nhiệt được sử dụng.các tản nhiệt tăng diện tích bề mặt để phân tán nhiệt vào không khí, và đệm nhiệt cải thiện sự tiếp xúc nhiệt giữa đèn LED và PCB. Điều này dẫn đến đèn đường LED lâu dài và hiệu quả hơn.

3Công nghiệp: Trong một biến tần công nghiệp công suất cao, PCB dựa trên gốm, thùng thu nhiệt và làm mát bằng không khí ép được kết hợp.các thùng nhiệt giúp phân tán nhiệt từ các chất bán dẫn điện, và hệ thống làm mát bằng không khí buộc đảm bảo làm mát liên tục và hiệu quả trong quá trình vận hành của biến tần.

Thách thức và những cân nhắc

1Chi phí: Các vật liệu và thành phần quản lý nhiệt hiệu suất cao, chẳng hạn như PCB dựa trên gốm và hệ thống làm mát chất lỏng tiên tiến, có thể đắt tiền.Các nhà thiết kế cần cân bằng chi phí với các yêu cầu về hiệu suất.

2Các hạn chế về không gian: Trong các thiết bị điện tử nhỏ gọn, việc tìm không gian cho các bộ tản nhiệt, quạt hoặc các thành phần làm mát bằng chất lỏng có thể là một thách thức.Định dạng PCB phải được tối ưu hóa cẩn thận để tận dụng tối đa không gian có sẵn.

3.Sự tin cậy: Các thành phần và hệ thống bổ sung được sử dụng để quản lý nhiệt, chẳng hạn như quạt, cần phải đáng tin cậy. Một sự cố trong hệ thống làm mát có thể dẫn đến quá nóng và thiệt hại của các thành phần.

Các mẹo quản lý nhiệt PCB hiệu quả

1Mô phỏng nhiệt: Sử dụng phần mềm mô phỏng nhiệt, chẳng hạn như ANSYS Icepak hoặc FloTHERM, trong giai đoạn thiết kế để dự đoán phân phối nhiệt và tối ưu hóa thiết kế quản lý nhiệt.
2Chọn thành phần: Chọn các thành phần có tiêu thụ năng lượng thấp hơn và đặc điểm nhiệt tốt hơn khi có thể.
3Bảo trì thường xuyên: Trong các ứng dụng với quạt hoặc hệ thống làm mát chất lỏng, đảm bảo bảo dưỡng thường xuyên để giữ cho hệ thống làm mát hoạt động hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp
Kỹ thuật quản lý nhiệt hiệu quả nhất là gì?
Không có một câu trả lời phù hợp với tất cả. Kỹ thuật hiệu quả nhất phụ thuộc vào yêu cầu năng lượng của ứng dụng, hạn chế không gian và hạn chế chi phí. Trong nhiều trường hợp,một sự kết hợp của các kỹ thuật là cách tiếp cận tốt nhất.

Tôi có thể sử dụng đường dẫn nhiệt trong một PCB linh hoạt?
Có, nhưng cần phải xem xét đặc biệt. PCB linh hoạt với đường dẫn nhiệt đòi hỏi phải thiết kế cẩn thận để đảm bảo các đường dẫn có thể chịu uốn cong và duy trì tính dẫn nhiệt của chúng.

Làm thế nào để tôi chọn đúng tản nhiệt cho ứng dụng của tôi?
Xem xét các yếu tố như tiêu hao năng lượng của thành phần, không gian có sẵn, môi trường hoạt động (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm) và hiệu suất làm mát cần thiết.Các nhà sản xuất tản nhiệt thường cung cấp các trang dữ liệu để giúp lựa chọn.

Kết luận, quản lý nhiệt PCB hiệu quả là một cách tiếp cận đa mặt kết hợp lựa chọn vật liệu, thiết kế bố trí và phương pháp làm mát.Các nhà thiết kế có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy và hiệu suất của, LED và các sản phẩm công nghiệp, đảm bảo chúng hoạt động trơn tru ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao.