نقل الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة: فهم الإدارة الحرارية في لوحات الدوائر المطبوعة

تُولّد لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) حرارةً أثناء تشغيلها. ولمنع الضرر الناتج عن الحرارة، يجب استخدام تقنيات توزيع الحرارة المناسبة لضمان تبديد هذه الطاقة.

أساسيات انتقال الحرارة

على المستوى الأساسي، يتناول نقاش انتقال الحرارة جانبين رئيسيين: درجة الحرارة وتدفق الحرارة. تشير درجة الحرارة إلى مقدار الطاقة الحرارية المتاحة، بينما يصف تدفق الحرارة حركة الطاقة الحرارية من مكان إلى آخر. على المستوى المجهري، ترتبط الطاقة الحرارية ارتباطًا مباشرًا بالطاقة الحركية للجزيئات. كلما ارتفعت درجة حرارة المادة، زاد التحريض الحراري لجزيئاتها. من الطبيعي أن تنقل المناطق ذات الطاقة الحركية الأعلى هذه الطاقة إلى مناطق ذات طاقة حركية أقل. يمكن للعديد من خصائص المواد تنظيم انتقال الحرارة بفعالية بين منطقتين بدرجات حرارة مختلفة. تشمل هذه الخصائص الموصلية الحرارية، وكثافة المادة، وسرعات الموائع، ولزوجتها. تُعقّد هذه الخصائص مجتمعةً حل العديد من مشاكل انتقال الحرارة. تُعد الموصلية الحرارية خاصية أساسية في انتقال الحرارة، إذ تحدد قدرة المادة على توصيل الحرارة. تستطيع المواد ذات الموصلية الحرارية العالية نقل الحرارة بكفاءة أكبر من تلك ذات الموصلية الحرارية المنخفضة. تُعد كثافة المادة أيضًا عاملًا مهمًا، حيث تستطيع المواد الأكثر كثافة تخزين المزيد من الطاقة الحرارية، وتساعد في تنظيم تغيرات درجة الحرارة بمرور الوقت. يمكن أن تؤثر سرعات السوائل ولزوجتها أيضًا على انتقال الحرارة، حيث يمكن للسوائل ذات السرعات العالية واللزوجة المنخفضة أن تنقل الحرارة بشكل أسرع من تلك ذات السرعات المنخفضة واللزوجة العالية.

آليات انتقال الحرارة

يمكن تصنيف آليات انتقال الحرارة عمومًا إلى ثلاث فئات: التوصيل: وهو انتقال الطاقة الحرارية من مناطق ذات طاقة حركية جزيئية أعلى إلى مناطق ذات طاقة حركية أقل من خلال التصادمات المباشرة للجزيئات. في المعادن، يمكن لإلكترونات نطاق التوصيل أيضًا حمل بعض الطاقة من منطقة إلى أخرى. الحمل الحراري: عند توليد الحرارة في جهاز إلكتروني، تنتقل عبر التوصيل إلى منطقة مجاورة، والتي بدورها تنقل الحرارة إلى سائل. تُعرف هذه العملية بالحمل الحراري، ويمكن أن يأخذ السائل شكل غاز، مثل الهواء، أو سائل تقليدي، مثل الماء. الإشعاع: تُصدر جميع المواد طاقة حرارية، وتُحدد درجة الحرارة كمية الطاقة المنبعثة. عندما تكون درجات الحرارة موحدة، يكون تدفق الإشعاع في حالة توازن بين الأجسام، ولا يحدث تبادل للطاقة الحرارية. ومع ذلك، يتغير هذا التوازن باختلاف درجات الحرارة، فتنتقل الطاقة الحرارية من مناطق ذات درجات حرارة أعلى إلى مناطق ذات درجات حرارة أقل. يُعد فهم آليات انتقال الحرارة الثلاث هذه أمرًا بالغ الأهمية لتحسين الإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية والأنظمة الأخرى. ومن خلال التلاعب بهذه الآليات والتحكم فيها، يستطيع المهندسون والعلماء تصميم وتحسين المواد والأنظمة لتحقيق الأداء الحراري الأمثل.

تقنيات تصميم PCB لنقل الحرارة

عند إدارة الحرارة في لوحات الدوائر المطبوعة، يمكنك استخدام بعض التقنيات. تشمل خياراتك ما يلي:

• مشتتات الحرارة. تستخدم هذه التقنية قطعًا معدنية كبيرة ذات موصلية عالية. تُثبّت هذه القطع على أجزاء تُنتج حرارة وتُعرّض مساحة سطح أكبر للهواء. يُخفّض هذا التركيب المقاومة الحرارية، ومع مروحة التبريد، يُحسّن تدفق الحرارة بشكل أكبر.
• يُسكب النحاس. عند ملء المساحات غير المستخدمة بالمعدن وتأريضه، سيتصل أي مكون في لوحة الدوائر المطبوعة بالأرض بسهولة.
• فتحات حرارية. تُستخدم عادةً مع صبّات النحاس، حيث تُنشئ فتحات حرارية مسارًا إلى النحاس ومكونات لوحة الدوائر المطبوعة.
• فتحات مملوءة بالنحاس. يمكن ملء الفتحات بالنحاس لتحسين نقل الحرارة.
• مواد ذات موصلية حرارية أعلى. تُستخدم مواد مثل الألومنيوم والسيراميك والنحاس لتحسين الموصلية الحرارية للوحة الدوائر المطبوعة.