Ingebouwde warmtepijpen verbeteren de warmteafvoer van printplaten

De levensduur van elektronische componenten kan drastisch worden verkort door de bedrijfstemperatuur met slechts enkele graden Celsius te verhogen. Bovendien wordt warmteafvoer bemoeilijkt door het feit dat bij bepaalde toepassingen de gehele printplaat is ingekapseld om deze effectief tegen vocht en stof te beschermen. Ingebouwde en geplaatste warmtepijpen van AT + S verbeteren de warmteafvoer aanzienlijk.

Modern thermisch beheer van printplaten wordt in wezen bereikt door extra koper aan de PCB toe te voegen, door middel van ontwerpmaatregelen zoals dikke koperen lagen, geplateerde doorgaande gaten, lasergeslagen kopervulopeningen of zelfs koperen inlays. Hoewel deze methoden een goede warmteafvoer kunnen bieden, hebben ze om verschillende redenen ook verschillende nadelen.Vooral in het geval van dikke koperlagen, die warmte afvoeren, wordt de productie van printplaten duurder en moeilijker als nieuwe systemen voor het hanteren van de zware , dikke koperen platen zijn noodzakelijk.

Bespaar gewicht

Bovendien vereist een verpakking met een hoge dichtheid extreem smalle koperen sporen in de circuits van printplaten. Dit is niet zo eenvoudig als dikke koperlagen moeten worden geëtst. In ruimtevaarttoepassingen speelt massa ook een belangrijke rol en wordt ook steeds belangrijker in moderne auto's zoals elektrische voertuigen. Bovendien kunnen grotere hoeveelheden koper die worden gebruikt voor koeling erg duur worden. Concepten voor thermisch beheer, zoals moderne geminiaturiseerde heatpipes, die licht van gewicht zijn, een betere warmtegeleiding bieden dan koper en vanwege hun kleine formaat geschikt zijn voor PCB's, kunnen de uitdagingen op het gebied van thermisch beheer van de hedendaagse hoogwaardige toepassingen oplossen.

Door hun superieure warmteoverdrachtvermogen met een relatief lage massa kunnen warmtepijpen de warmte zeer effectief door de printplaten geleiden. Moderne heatpipes zijn zo klein dat ze in printplaatconstructies kunnen worden geïntegreerd. Hun dikte ligt in het bereik van ongeveer 400 µm tot 2 mm. De fabrikant gebruikt de eigen knowhow van het bedrijf op het gebied van het inbedden van componenten en in 2.5D-technologie om mini-heatpipes aan te sluiten op printplaten.

Nieuwe ontwerpopties

Het gebruik van heatpipes direct in de PCB maakt nieuwe ontwerpopties mogelijk, zoals externe koeling en warmteafvoer en -afvoer. Warmteafvoer biedt bijvoorbeeld de mogelijkheid om temperatuurgevoelige componenten zoals sensoren en MEMS te gebruiken in de onmiddellijke nabijheid van warmtegenererende componenten zoals transistoren. Bovendien kunnen apparaten dankzij de verbeterde koelingseigenschappen van printplaten met ingebouwde heatpipes (HP-PCB's) bij lagere temperaturen werken, wat de efficiëntie, levensduur en energiebesparing in de meeste elektronische toepassingen verhoogt.

De ingebedde of geplaatste warmtepijp is een passieve component die warmte in de printplaat over grotere afstanden effectiever kan afvoeren dan conventionele warmtegeleiders zoals koper. Hun mechanisme van warmteafvoer is gebaseerd op een faseovergang (d.w.z. van vloeistof naar gas) en het transport van massa.

Hoe de heat pipe werkt

De warmtepijp is een buisvormige constructie die aan beide uiteinden goed gesloten is en een vloeistof bevat waarin een zeer lage druk heerst. Meestal is de buis gemaakt van koper en is de gebruikte vloeistof water. Wanneer een uiteinde van de buis wordt verwarmd, gaat het water over van de vloeibare naar de gasvormige fase - in eenvoudige bewoordingen: het verdampt. Door de daarbij behorende drukstijging stroomt de waterdamp naar het koude uiteinde van de buis. Daar geeft de waterdamp energie af en wordt weer vloeibaar. Het vloeibare water wordt door capillaire krachten teruggevoerd naar het verwarmde uiteinde van de buis. Dit dynamische proces herhaalt zich continu en leidt tot een warmteafvoer die honderd tot enkele duizenden keren zo hoog is als bij een stuk koper met overeenkomstige afmetingen. Omdat de warmtepijp hol is, heeft deze het extra voordeel dat hij veel lichter is dan koperen staven.

In het gepresenteerde concept worden kant-en-klare mini-heatpipes aangesloten op de printplaat, wat resulteert in een complete thermische beheersmodule. Er werden verschillende demonstratiemonsters van printplaten met ingebedde en ingebrachte heatpipes geproduceerd. Om de geminiaturiseerde heatpipes op de printplaat aan te sluiten, werden verschillende methoden gebruikt. In alle experimenten hielp het HP-PCB-concept het algemene temperatuurgedrag van het systeem te verbeteren in vergelijking met de momenteel gebruikte methoden. Deze techniek wordt beschouwd als een thermisch managementconcept voor vrijwel alle toepassingen in de elektronica waar een betere warmteafvoer of -afvoer vereist is. Mogelijke toepassingsgebieden zijn vooral waar beperkingen qua massa en ruimtevereisten bestaan. Voorbeelden hiervan zijn ruimtevaart, automotive en moderne servertoepassingen.

Partner gezocht

De onderzoeks- en ontwikkelingsafdeling van AT + S is nog steeds op zoek naar partners die speciale vereisten hebben voor het thermische beheer van toekomstige producten en die klaar zijn om de HP PCB-technologie als eerste gebruiker te testen. De visie van het bedrijf is dat geavanceerde PCB's geavanceerde mogelijkheden moeten bieden, zoals verbeterd thermisch beheer, ingebedde componenten, hoge frequentie en hybride materialen als een integraal onderdeel van de technologische uitdagingen van toekomstige toepassingen.