Die Wärme ist an: Hochleistungs-Oberflächenwiderstände

Immer mehr Geothermie – wird jetzt die Erde kalt? | Harald Lesch (Juli 2019).

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Anonim

Konstrukteure müssen bei der Auswahl von oberflächenmontierbaren Hochleistungswiderständen sehr vorsichtig sein, da die Belastung auf sie liegt, um die thermische Kontrolle aufrechtzuerhalten

VON DARIN GLENN,
Leitender Ingenieur, Vishay Intertechnology
www.vishay.com

Die Hitze ist für die passive Elektronikkomponentenindustrie an, da sie eine Zunahme an neuen oberflächenmontierten Hochleistungsbauelementen, insbesondere Widerständen, sieht. Das ist aufregend, weil es Möglichkeiten schafft, die Gesamtgröße von Elektronik zu reduzieren. Leider müssen wir uns immer noch an die Gesetze der Physik halten. Widerstände erzeugen Wärme aufgrund der Eigenschaften, die sie erzeugen. Wenn mehr Leistung an einen Widerstand angelegt wird, wird mehr Wärme erzeugt. Wenn diese Wärme nicht richtig von dem Teil übertragen wird, kann sich der Wert des Teils verschieben und schließlich versagen.
Es gibt neue Technologien, bei denen Aluminiumnitrid (AlN) -Keramiken anstelle von Aluminiumoxid verwendet werden, die extreme Leistungswerte aufweisen; zum Beispiel> 100 W für eine 1206-Gehäusegröße. Die AlN-Keramik hat eine viel bessere Wärmeleitfähigkeit als die von Aluminiumoxid und nähert sich der von Berylliumoxid. Auf den ersten Blick ist das sehr aufregend und beeindruckend, bis man bedenkt, wie sie die gewaltige Wärmemenge vom Gerät und dem Rest ihres Stromkreises ableiten. Wenn 100 W an einen 1206-dimensionalen Widerstand angelegt werden, wird der Widerstand schnell auf Temperaturen von über 500 ° C erhitzt, wodurch Lötverbindungen geschmolzen werden und möglicherweise die meisten elektrischen Komponenten, insbesondere aktive Geräte, beschädigt werden, wenn sie nicht ordnungsgemäß abgeleitet werden.
Warum haben diese Widerstände diese Nennwerte? Die Geräte selbst können aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit des Substrats und der Fähigkeit, die Wärme von dem Gerät weg zu übertragen, mit diesen Nennleistungen betrieben werden. Die Herausforderung ist, wo diese Wärme übertragen wird. Die Hersteller geben in den Datenblättern Fußnoten an, die auf ein aktives Wärmemanagement, aufwendige Kühlkörper oder einfach darauf hinweisen, dass der Benutzer das Gerät bei einer bestimmten Temperatur - beispielsweise 155 ° C - warten muss.
Ist es einfach oder kosteneffizient, das erforderliche Wärmemanagement für diese Hochleistungswiderstände zu implementieren? Nein. Dieser Artikel soll den Leser nicht mit Thermodynamik und komplexen Gleichungen überfordern. Die Absicht ist, ein paar Techniken zu diskutieren, um die Wärme, die von oberflächenmontierbaren Hochleistungswiderständen erzeugt wird, und deren Auswirkungen auf den Bauraum, die Komplexität und die Kosten zu managen.

Hintergrund
Es gibt zwei Hauptarten der Wärmeübertragung mit oberflächenmontierbaren Hochleistungswiderständen: 1) Leitung durch das Substrat und Leiter zu der Platine und Leiterbahnen (siehe Fig. 1 ) und 2) Konvektion in die Umgebung.

Abb. 1. Überwiegende Arten der Wärmeübertragung für Hochleistungs-Oberflächenwiderstände.

Wärmeleitung ist das vorherrschende Mittel zur Wärmeübertragung, und daher stellen viele Hersteller eine Wärmebeständigkeit für ihre Vorrichtung bereit. Der thermische Widerstand gibt eine Annäherung erster Ordnung an, wie gut das Gerät Wärme an die Platine und die Leiterbahnen überträgt, wenn die Leistung angelegt wird - das heißt ° C / W. Diese Bewertung fehlt viele Details. Das Hauptproblem sind die Eigenschaften der Testkarte, mit der die Bewertung erstellt wurde. Zum Beispiel wird die Menge an Kupfer, die auf der Testkarte verwendet wird, die resultierende thermische Beständigkeit der Vorrichtung signifikant beeinflussen. Einige Hersteller geben Details darüber an, wie ihre Geräte getestet wurden, um die Nennleistung oder den thermischen Widerstand zu ermitteln. In vielen Fällen sind die angewandten Techniken in der Anwendung nicht praktisch.
Die Konvektion ist ein wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden muss, insbesondere wenn eine Platine eingeschlossen ist. Die Wärme, die abgestrahlt wird, kann die Umgebungstemperatur schnell auf unsichere und schädliche Werte erhöhen. Wenn eine Platine eingekapselt ist, kann dies für die Hochleistungskomponente und die umgebenden Komponenten schädlich sein, da sie die Übertragung von Wärme durch Konvektion verhindert. Es wird dringend empfohlen, dass Hochleistungswiderstände nicht gekapselt werden.
Die Nennleistungen einiger Hersteller gehen von einer unendlichen Wärmesenke aus. Eine unendliche Wärmesenke ist eine, die eine unendliche Wärmemenge vom Gerät wegtragen kann. Dies ist nicht realistisch und kann daher die Leistungsmenge begrenzen, die auf eine Komponente angewendet werden kann.

Thermomanagement-Techniken

Schwere Boardspuren:
Eine einfache und übliche Technik ist die Verwendung von schweren Boardspuren. Das Hinzufügen von Oberfläche und Volumen zu Leiterbahnen ist eine einfache Technik, die verwendet werden kann. Da der Großteil der Wärmeübertragung von diesen Vorrichtungen durch Leitung erfolgt, ist dies eine übliche Technik. Ein Beispiel ist in 2 gezeigt . Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Technik zu verwenden: 1) die Breite der Spuren zu erhöhen und 2) die Dicke der Spuren zu erhöhen.

Abb. 2: Beispiel zur Implementierung von schweren Boardspuren.

Diese Technik verteilt die vom Widerstand erzeugte Wärme auf die gesamte Platine, wodurch die Fläche, über die die Wärme in die Umgebung abgegeben wird, vergrößert wird. Die Herausforderung tritt auf, wenn der stationäre Zustand erreicht ist. Wenn aktive Wärmemanagementtechniken nicht in der Konstruktion enthalten sind, erreichen die Leiterplatte und die Umgebung schließlich eine Spitzentemperatur, die die sicheren Betriebstemperaturen übersteigen kann.
Diese Technik ist typischerweise kostengünstiger. Es gibt immer noch höhere Kosten aufgrund der Menge an Metall, die für die Spuren (typischerweise Kupfer) verwendet wird. Darüber hinaus gibt es zusätzliches Gewicht und erhöhte Boardgröße, um die schweren Boardspuren aufzunehmen.

Thermische Rückwand:
Eine ähnliche, robustere Technik ist die Verwendung einer thermischen Rückwandplatine. Bei dieser Technik wird eine größere Kupferplatte auf der Rückseite der Platine verwendet, um die Wärme vom Schaltkreis abzuleiten. Wie bei der schweren Leiterbahntechnik wird die Wärme über eine große thermische Masse verteilt, die die Fläche zur Übertragung von Wärme durch Konvektion und Strahlung erhöht. Ein Beispiel ist in 3 gezeigt . Wenn kein aktives Wärmemanagement verwendet wird, können die Leiterplatte und die Umgebung die sicheren Betriebstemperaturen überschreiten.

Abb. 3: Beispiel für die Implementierung einer thermischen Rückwand.

Diese Technik fügt höhere Kosten hinzu, da die Rückwandplatine typischerweise aus schwerem Kupfer besteht. Zusätzlich wird diese Technik dem Design Gewicht verleihen und höchstwahrscheinlich die Platte auf eine einzelne Schicht beschränken, wodurch die Plattengröße hinzugefügt wird.

Öl-Untertauchen:
Das Eintauchen einer Platine in Öl ist eine effektive Methode, um die Wärme von der Platine und den angeschlossenen Komponenten abzuleiten. Da das Öl in direktem Kontakt mit jeder Oberfläche der Platte steht, ist die Wärmeleitung sehr effizient. Ein Beispiel ist in 4 gezeigt . Ein paar Herausforderungen bei dieser Technik sind Ölverschmutzung und Materialverträglichkeit. Das Öl muss sehr gute dielektrische Eigenschaften haben. Wenn das Öl verunreinigt wird, können die dielektrischen Eigenschaften verringert werden und zu Lichtbögen und somit zu einem Ausfall der Vorrichtung oder der Platte führen. Die verwendeten Öle können sehr individuell sein und sind möglicherweise nicht mit den Materialien des Hochleistungswiderstands, anderer Komponenten oder sogar des Lötmittels kompatibel.

Abb. 4: Beispiel für das Einbringen von Öl.

Diese Technik ist wiederum im stationären Zustand begrenzt, wenn kein aktives Wärmemanagement verwendet wird. Das festgelegte Ölvolumen wird schließlich eine Spitzentemperatur erreichen, die sichere Betriebsbedingungen übersteigen kann.
Diese Technik erhöht die Kosten, da die Öle typischerweise höhere Kosten verursachen, und es muss eine Art von Behälter vorhanden sein, um das Öl zu enthalten. Darüber hinaus werden in vielen Fällen Goldkontakte / -abschlüsse verwendet, um eine Reaktion mit dem Öl zu vermeiden, was sehr hohe Kosten verursacht.

Aktive Kühlung:
Das aktive Kühlen einer Platine kann sehr effektiv sein, jedoch zu viel höheren Kosten, typischerweise über 10.000 US-Dollar, wenn ein Kompressor verwendet wird. Eine übliche Technik besteht darin, einen Kühler zu verwenden, der Kühlmittel umwälzt. Dies kann mit einer thermischen Rückwand verwendet werden, wobei das Kühlmittel durch Kanäle in der Ebene oder Leitung zirkuliert, die thermisch mit der Oberfläche der Ebene verbunden ist. Ein Beispiel ist in 5 gezeigt . Dieses Verfahren kann auch mit dem Ölbad verwendet werden, wobei das Öl kontinuierlich durch den Kühler zirkuliert. Beide dieser Techniken "pumpen" Wärme von der thermischen Rückwand oder dem Ölbad weg.

Abb. 5: Beispiel für die Implementierung von zirkulierendem Kühlmittel durch eine thermische Rückwandplatine.

Eine andere Technik besteht darin, Zwangsluft zu verwenden, sei sie konditioniert oder nicht konditioniert. Das Aufbringen von Druckluft auf eine Platte ist relativ einfach und kann mit vertretbaren Kosten erreicht werden. Die Effektivität dieser Technik ist begrenzt, da sie auf der Konvektion und der Oberfläche des Hochleistungswiderstands beruht. Ein Beispiel ist in 6 gezeigt . Es gibt Hochleistungswiderstände in Kühlkörpern, die den Kühlprozess unterstützen, indem sie die thermische Masse und die Oberfläche deutlich erhöhen. Um diese Technik zu verwenden, ist ausreichend freier Raum um die Platte herum erforderlich, um die Luft richtig zu zirkulieren. Die Luft muss typischerweise gefiltert werden, um zu verhindern, dass Verunreinigungen die Leistung der Elektronik beeinträchtigen.

Abb. 6: Beispiel zur Durchführung einer Zwangsluftkühlung.

Hochleistungswiderstände für die Oberflächenmontage bieten aufgrund der geringeren Wärmewiderstandsfähigkeit der Substrate (z. B. AlN), die typischerweise das Zwei- bis Dreifache der Standard-Chipwiderstände beträgt, eine höhere Leistungsfähigkeit, selbst bei Standard-Leiterplattenmontagetechniken. Um eine höhere Leistung zu erreichen, müssen aufwendigere Techniken eingesetzt werden, wie in diesem Artikel diskutiert. Konstrukteure müssen sehr vorsichtig sein, wenn sie oberflächenmontierbare Hochleistungswiderstände auswählen. Gerade weil ein Datenblatt extrem hohe Leistungen beansprucht, liegt es am Konstrukteur, bestimmte Kriterien zu erfüllen - zum Beispiel maximale Oberflächen- oder Endtemperaturen, die typischerweise im Kleingedruckten vermerkt sind.

Von DARIN GLENN, Senior Engineering Manager, Vishay Intertechnology, www.vishay.com