7 تقنيات أساسية لإدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة: تعزيز الموثوقية في منتجات السيارات، وLED، والصناعية​

مصدر الصورة: الإنترنت

المحتويات

• أهم النقاط
• أهمية إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة
• 7 تقنيات رئيسية لإدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة
• تطبيقات وحالات دراسية واقعية
• التحديات والاعتبارات
• نصائح لإدارة حرارة لوحات الدوائر المطبوعة بفعالية
• الأسئلة الشائعة

أهم النقاط
1. في التطبيقات عالية الطاقة مثل السيارات وLED والمنتجات الصناعية، تعد إدارة الحرارة الفعالة في لوحات الدوائر المطبوعة أمرًا بالغ الأهمية لضمان موثوقية المكونات وإطالة عمر المنتج.
2. يمكن لمجموعة من التقنيات مثل استخدام مواد ذات توصيل حراري عالي، وتحسين تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، وتنفيذ طرق تبريد نشطة وغير نشطة أن تحسن بشكل كبير تبديد الحرارة.
3. لا تمنع إدارة الحرارة ارتفاع درجة الحرارة فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين الأداء العام للأجهزة الإلكترونية.

أهمية إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة

في الإلكترونيات الحديثة، أصبحت المكونات التي تستهلك الطاقة أصغر حجمًا وأكثر كثافة. في أنظمة السيارات، على سبيل المثال، تولد أشباه الموصلات عالية الطاقة في محولات المركبات الكهربائية (EV) ومعالجات أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) حرارة كبيرة. في إضاءة LED، تحتاج مصابيح LED عالية السطوع إلى تبديد الحرارة بكفاءة للحفاظ على كفاءتها الضوئية. تواجه المعدات الصناعية، من خلال تشغيلها المستمر ومتطلبات الطاقة العالية، أيضًا تحديات حرارية كبيرة.

يمكن أن تؤدي الحرارة المفرطة إلى تدهور المكونات وتقليل العمر الافتراضي وحتى تعطل النظام. وبالتالي، تعد إدارة الحرارة الفعالة في لوحات الدوائر المطبوعة ضرورية للحفاظ على المكونات ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل الأمثل.

7 تقنيات رئيسية لإدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة

1. مواد لوحات الدوائر المطبوعة ذات التوصيل الحراري العالي

تعتبر لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على الألومنيوم فعالة من حيث التكلفة وتستخدم على نطاق واسع في إضاءة LED نظرًا لقدرتها على تبديد الحرارة من مصابيح LED. تعتبر لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على النحاس، ذات التوصيل الحراري العالي للغاية، مناسبة للتطبيقات التي تتطلب نقل كميات كبيرة من الحرارة بسرعة. توفر لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على السيراميك خصائص حرارية وكهربائية ممتازة، مما يجعلها مثالية للبيئات القاسية.

2. الثقوب الحرارية
الثقوب الحرارية هي ثقوب صغيرة في لوحة الدوائر المطبوعة مملوءة بمادة شديدة التوصيل، وعادة ما تكون نحاسًا. تعمل كقنوات حرارية، تنقل الحرارة من المكونات الساخنة على السطح إلى الطبقات الداخلية أو المشتتات الحرارية. من خلال إنشاء مسار حراري رأسي، يمكن للثقوب الحرارية أن تقلل بشكل كبير من المقاومة الحرارية. يمكن أن يؤدي وضع مصفوفة عالية الكثافة من الثقوب الحرارية أسفل المكونات عالية الطاقة، مثل MOSFETs للطاقة في إلكترونيات السيارات أو مصابيح LED عالية السطوع، إلى سحب الحرارة بعيدًا عن المصدر بشكل فعال.

3. المشتتات الحرارية
المشتتات الحرارية عبارة عن هياكل موصلة حراريًا، وعادة ما تكون مصنوعة من الألومنيوم أو النحاس، والتي يتم توصيلها بالمكونات عالية الطاقة. إنها تزيد من مساحة السطح المتاحة لتبديد الحرارة، مما يسمح للحرارة بالانتقال بكفاءة أكبر إلى الهواء المحيط. في وحدات التحكم الإلكترونية (ECUs) للسيارات ولوحات التحكم الصناعية، تُستخدم المشتتات الحرارية بشكل شائع لتبريد المعالجات وترانزستورات الطاقة. يمكن تحسين تصميم المشتتات الحرارية، بما في ذلك عدد الزعانف وارتفاع الزعانف والتباعد بين الزعانف، لتطبيقات مختلفة لزيادة نقل الحرارة.

4. مواد الواجهة الحرارية (TIMs)
تُستخدم مواد الواجهة الحرارية، مثل المعجون الحراري والوسادات الحرارية والمواد المتغيرة الطور، لملء الفجوات بين المكونات والمشتتات الحرارية أو لوحات الدوائر المطبوعة. إنها تحسن التلامس الحراري عن طريق تقليل المقاومة الحرارية عند الواجهة. في وحدات LED، غالبًا ما تُستخدم الوسادات الحرارية لنقل الحرارة من شريحة LED إلى الركيزة المصنوعة من الألومنيوم. في إلكترونيات الطاقة في السيارات، يتم تطبيق المعاجين الحرارية عالية الأداء بين حزمة أشباه الموصلات والمشتت الحراري لتعزيز كفاءة نقل الحرارة.

5. تحسين تصميم لوحة الدوائر المطبوعة
وضع المكونات: يجب وضع المكونات عالية الطاقة بالقرب من حواف لوحة الدوائر المطبوعة لتحسين تدفق الهواء أو بالقرب من المشتتات الحرارية. في لوحات الدوائر المطبوعة للسيارات، يتم وضع المكونات كثيفة الطاقة مثل IGBTs (ترانزستورات ثنائي القطب معزول البوابة) في محولات EV في مناطق ذات تهوية جيدة. يجب إبعاد المكونات الحساسة للحرارة عن مصادر توليد الحرارة العالية.
مستويات النحاس والمسارات: يمكن أن يؤدي زيادة سمك مستويات النحاس والمسارات إلى تعزيز قدراتها على انتشار الحرارة. في لوحات الدوائر المطبوعة الصناعية للطاقة، تُستخدم مسارات نحاسية سميكة لحمل التيارات العالية وتبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يساعد إنشاء مناطق صب نحاسية كبيرة حول المكونات عالية الطاقة في توزيع الحرارة بشكل أكثر توازناً.

6. التبريد بالهواء القسري (المراوح)
يمكن استخدام المراوح لتعزيز نقل الحرارة بالحمل الحراري. في المعدات الصناعية عالية الطاقة وبعض تطبيقات السيارات مثل الحوسبة عالية الأداء في أنظمة ADAS، يتم تثبيت المراوح لتوجيه الهواء فوق لوحة الدوائر المطبوعة، مما يؤدي إلى إبعاد الحرارة. يمكن التحكم في سرعة واتجاه تدفق الهواء لتحسين التبريد. على سبيل المثال، في جهاز كمبيوتر صناعي من فئة الخادم، يتم وضع المراوح بشكل استراتيجي لضمان تبريد جميع المكونات بشكل فعال، وخاصة وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات عالية الطاقة.

7. التبريد السائل
تُستخدم أنظمة التبريد السائل، مثل الألواح الباردة، في التطبيقات التي تتطلب تبديدًا عاليًا للطاقة. في المركبات الكهربائية، تُستخدم الألواح الباردة المبردة بالسائل لتبريد نظام إدارة البطارية وإلكترونيات الطاقة. يمتص السائل، وعادة ما يكون خليطًا من الماء والجليكول، الحرارة من المكونات وينقلها إلى مشعاع للتبديد. يوفر التبريد السائل معدلات نقل حرارة أعلى مقارنة بطرق التبريد بالهواء، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات عالية الطاقة والمحدودة المساحة.

تطبيقات وحالات دراسية واقعية

1. السيارات: في نظام إدارة البطارية (BMS) للمركبة الكهربائية، يتم استخدام مجموعة من لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على النحاس، والثقوب الحرارية، والألواح الباردة المبردة بالسائل. تنقل لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على النحاس الحرارة بكفاءة من خلايا البطارية إلى اللوحة الباردة، بينما تعمل الثقوب الحرارية على تحسين نقل الحرارة بين الطبقات المختلفة من لوحة الدوائر المطبوعة. يضمن ذلك التشغيل الآمن والفعال لنظام إدارة البطارية، مما يطيل عمر البطارية.

2. إضاءة LED: في مصباح شارع LED عالي الطاقة، يتم استخدام لوحة دوائر مطبوعة قائمة على الألومنيوم مع مشتتات حرارية ووسادات حرارية. تعمل الركيزة المصنوعة من الألومنيوم على تبديد الحرارة من مصابيح LED، وتزيد المشتتات الحرارية من مساحة السطح لتبديد الحرارة في الهواء، وتحسن الوسادات الحرارية التلامس الحراري بين مصابيح LED ولوحة الدوائر المطبوعة. ينتج عن ذلك مصباح شارع LED يدوم طويلاً وأكثر كفاءة.

3. الصناعية: في محول صناعي عالي الطاقة، يتم الجمع بين لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على السيراميك، والمشتتات الحرارية، والتبريد بالهواء القسري. يمكن للوحة الدوائر المطبوعة المصنوعة من السيراميك تحمل درجات الحرارة المرتفعة، وتساعد المشتتات الحرارية على تبديد الحرارة من أشباه موصلات الطاقة، ويضمن نظام التبريد بالهواء القسري التبريد المستمر والفعال أثناء تشغيل المحول.

التحديات والاعتبارات

1. التكلفة: يمكن أن تكون مواد ومكونات إدارة الحرارة عالية الأداء، مثل لوحات الدوائر المطبوعة القائمة على السيراميك وأنظمة التبريد السائل المتقدمة، باهظة الثمن. يحتاج المصممون إلى الموازنة بين التكلفة ومتطلبات الأداء.

2. قيود المساحة: في الأجهزة الإلكترونية المدمجة، قد يكون العثور على مساحة للمشتتات الحرارية أو المراوح أو مكونات التبريد السائل أمرًا صعبًا. يجب تحسين تصميم لوحة الدوائر المطبوعة بعناية لتحقيق أقصى استفادة من المساحة المتاحة.

3. الموثوقية: يجب أن تكون المكونات والأنظمة الإضافية المستخدمة لإدارة الحرارة، مثل المراوح، موثوقة. يمكن أن يؤدي الفشل في نظام التبريد إلى ارتفاع درجة الحرارة وتلف المكونات.

نصائح لإدارة حرارة لوحات الدوائر المطبوعة بفعالية

1. المحاكاة الحرارية: استخدم برنامج المحاكاة الحرارية، مثل ANSYS Icepak أو FloTHERM، في مرحلة التصميم للتنبؤ بتوزيع الحرارة وتحسين تصميم إدارة الحرارة.
2. اختيار المكونات: اختر المكونات ذات استهلاك الطاقة المنخفض والخصائص الحرارية الأفضل كلما أمكن ذلك.
3. الصيانة الدورية: في التطبيقات التي تحتوي على مراوح أو أنظمة تبريد سائل، تأكد من الصيانة الدورية للحفاظ على تشغيل نظام التبريد بكفاءة.

الأسئلة الشائعة
ما هي تقنية إدارة الحرارة الأكثر فعالية؟
لا توجد إجابة واحدة تناسب الجميع. تعتمد التقنية الأكثر فعالية على متطلبات الطاقة للتطبيق، وقيود المساحة، وقيود التكلفة. في كثير من الحالات، يعد الجمع بين التقنيات هو أفضل نهج.

هل يمكنني استخدام الثقوب الحرارية في لوحة دوائر مطبوعة مرنة؟
نعم، ولكن هناك حاجة إلى اعتبارات خاصة. تتطلب لوحات الدوائر المطبوعة المرنة ذات الثقوب الحرارية تصميمًا دقيقًا لضمان قدرة الثقوب على تحمل الانحناء والحفاظ على توصيلها الحراري.

كيف أختار المشتت الحراري المناسب لتطبيقي؟
ضع في اعتبارك عوامل مثل تبديد الطاقة للمكون، والمساحة المتاحة، وبيئة التشغيل (مثل درجة الحرارة والرطوبة)، وأداء التبريد المطلوب. عادةً ما يوفر مصنعو المشتتات الحرارية أوراق بيانات للمساعدة في الاختيار.

في الختام، تعد إدارة الحرارة الفعالة في لوحات الدوائر المطبوعة نهجًا متعدد الأوجه يجمع بين اختيار المواد وتصميم التخطيط وطرق التبريد. من خلال تطبيق هذه التقنيات السبع الرئيسية، يمكن للمصممين تحسين موثوقية وأداء منتجات السيارات وLED والمنتجات الصناعية بشكل كبير، مما يضمن تشغيلها بسلاسة حتى في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة.