Thermodesign von Leistungshalbleitern und LEDs

Heatpipes kühlen nicht

24.09.2010 | Autor / Redakteur: Tobias Best* / Kristin Rinortner

Thermische Simulation einer Anwendung mit Heatpipe
Thermische Simulation einer Anwendung mit Heatpipe

Das Wärmemangement eines Heatpipe-Systems ist meist überdimensioniert. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den praxisrelevanten Belangen zur sinnvollen Auslegung einer kosteneffizienten Kühlung. Der Fokus liegt auf den Auswahlverfahren der richtigen Heatpipe und dem angegliederten Wärmemanagement.

Heatpipes sind Rohre, die aus einer Außenhülle eines hochleitenden Metalls und einem applikationsspezifischen inneren Aufbau sowie einer geringen Menge einer verdampfenden Flüssigkeit bestehen. Ihre Aufgabe ist es, durch die optimale Zusammenstellung der Struktur in einem definierten Temperaturbereich eine anfallende Temperatur möglichst schnell aufzunehmen und diese mit möglichst wenig Verlust an einen Platz zu transportieren, welcher eine Abkühlung ermöglicht.

Dies soll anhand eines praktischen Beispiels kurz erläutert werden:

An einem Leistungshalbleiter, einer CPU oder einer LED fallen in der Regel hohe Temperaturen an, welche in der Applikation nicht erwünscht sind oder dem Baustein schaden. Zugleich befindet sich dieser Baustein in einem Einbauraum, der weder Platz für die direkte Verbindung mit einem Kühlkörper noch eine Möglichkeit der optimalen Lüftführung bietet. Meist sind auch schon alle Möglichkeiten erschöpft, die Wärme über die Leiterplatte abzuführen (Mikovias, Metallleiterplatte, Wärmespreizflächen usw.).

Eine elegante Lösung in diesem Fall wäre, die Wärme auf dem Baustein möglichst gezielt und platzsparend aufzunehmen und diese an einen Punkt zu führen, der durch größere Platzverhältnisse und einer guten Belüftung (meist forciert) für eine ausreichende Kühlung sorgt. Im Umkehrschluss würde diese Kühlseite den Temperaturarbeitspunkt der Komponente senken.

Unzureichende Beratung bei der Blackbox Heatpipe

Das hört sich einfach an, ist es aber leider nicht. Denn zum einen wird die Heatpipe von vielen Händlern noch immer als Blackbox verkauft und der Kunde meist unzureichend beraten und zum anderen wird der „Systemgedanke“ zu oft außer acht gelassen. Dies führt meist zu einer völlig überdesignten Kühlung und am Ende zu sehr hohen Heatpipe-Preisen. Die meisten Heatpipe-Systeme funktionieren oft auch nur, weil die Maximallast sehr selten erreicht wird und der Zulieferer zu selten die Beweispflicht antreten muss.

Eine Abhandlung über die physikalischen Abläufe in einer Heatpipe und welche diese zum Supraleiter machen findet man in der angebotenen Fachliteratur. Im Fokus dieses Artikels stehen praxisrelevante Belange zur Auswahl der richtigen Heatpipe.

Kriterien bei der Auswahl der richtigen Heatpipes

Nur die Betrachtung des gesamten Systems kann zu einer sinnvollen Auslegung der richtigen und kosteneffizienten Kühlung führen. Folgende maßgebliche Punkte sind hier zu betrachten.

  • Position der Wärmequelle

Wenn man die Wahl hat, sollte die Heatpipe senkrecht stehen und die Wärmequelle unten liegen. Die Wärme fließt dann nach oben, also entgegen der Schwerkraft. Der Rückfluss der kondensierten Flüssigkeit wird durch die Schwerkraft unterstützt. Im Prinzip funktioniert sie aber – mit einigen Einbußen – in jeder Einbaulage (außer Groove, siehe unten).

  • Zu transportierende Leistung

Anhand von Tabellen und Erfahrungswerten kann durch diese Angabe die entsprechende Heatpipe ausgewählt werden. Das heißt aber „nur“, dass das „Rohr“ gegen die Richtung der Gravitation (Wärme von unten nach oben) mit 100% Wirkungsgrad diese Leistung bewegen könnte! Je nach System werden auch Heatpipe-Kombinationen genutzt.

  • Transportrichtung mit der oder gegen die Schwerkraft

Aufgrund des inneren Aufbaus arbeiten Heatpipes mehr oder weniger gut mit/gegen die Schwerkraft. Man unterscheidet im Grunde zwischen den drei Heatpipe-Varianten Groove, Mesh und Sintered.

Tabelle 1: Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Heatpipe-Varianten
Tabelle 1: Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Heatpipe-Varianten

Diese bieten Vor- und Nachteile in der Verarbeitung (z.B. beim Biegen) sowie in der Reaktionszeit (Wärmeaufnahme, Aggregatszustandswechsel, Wärmeabgabe), dem Wirkungsgrad und im Speziellen in ihrer Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Schwerkraft (Tabelle 1).

Da zum einen Wärme aufsteigt und zum anderen die Gravitation die Flüssigkeit in einer Heatpipe nach unten zieht, bietet die gesinterte Variante die besten Voraussetzungen mit der Schwerkraft funktionsfähig zu bleiben und trotzdem leistungsstark zu arbeiten.

Oft ist auch ein Leistungsverlust einer Heatpipe, welche mit der Schwerkraft arbeitet, durch ein Parallelsystem entgegen Schwerkraft zu kompensieren. Die Kombination kann im Gesamten eine größere Leistung bewegen und gleichzeitig richtungsunabhängig(er) arbeiten.

  • Optimale Wärmeaufnahme von der Leistungskomponente zur Heatpipe

Hier sollte man darauf achten, dass möglichst wenige thermische Widerstände den Weg beschreiben. (Beispiel: Oberfläche Leistungskomponente, Wärmeleitpaste, Wärmeaufnahme am Heatpipe-System, Lot, Heatpipe).

Es sei darauf hingewiesen, dass Wärmeleitpaste lediglich Luft mit einem weitaus schlechteren thermischen Leitwert verdrängt, aber verglichen mit Metall trotzdem nicht besonders gut Wärme leitet. Da Wärmeleitpaste dünn aufgetragen werden muss, sollte eine möglichst plane Oberfläche zur Verfügung stehen. Zum einen auf der Komponente, zum anderen auf Seiten der Wärmeaufnahmeplatte des Heatpipe-Systems.

Es ist hier zu bedenken, dass durch die Montage (schrauben, klemmen, kleben) auch unterschiedliche Risiken hinsichtlich der Oberflächenspannung und somit im Verbiegen liegen. Hartlöten der Basisplatte an die Heatpipe bietet den bestmöglichen Wärmeübergang, birgt aber Risiken bei der Herstellung (zu hohe Temperaturen können die Kapselung der Heatpipe schädigen und den Unterdruck zerstören). Alternativ würde man auch hier kleben oder klemmen und die Luft durch ein TIM (thermisches Interfacematerial) verdrängen.

  • Geometrie / Wegstrecke

Bild 1: Beim Biegen einer Heatpipe müssen Mindest- und Maximalmaße berücksichtigt werden, die vom Durchmesser und von der Art der Heatpipe abhängen
Bild 1: Beim Biegen einer Heatpipe müssen Mindest- und Maximalmaße berücksichtigt werden, die vom Durchmesser und von der Art der Heatpipe abhängen

Jede Biegung einer Heatpipe produziert ein ΔT. Dies ist ein Faktum und nicht schön zu reden. Auch hängt die Leistungsfähigkeit von der Wegstrecke ab, welche ein Heatpipe-System überbrücken muss. Es gibt hier Mindest- sowie Maximalmaße, abhängig vom Durchmesser und der Art der Heatpipe (Bild 1).

  • Zünglein an der Waage: ΔT

Trotz noch so perfekter Planung arbeitet dieses Wärmetransportsystem nur, wenn ein ΔT von mindestens 5°C zur Verfügung steht. Dies bedeutet einerseits, dass man bei einer Wärmabgabe von zum Beispiel 85°C und einer Umgebungstemperatur auf der Kühlseite von 83°C keine Wunder erwarten darf. Andererseits muss auch durch eine sinnvoll geplante Wärmeabfuhr gewährleistet werden, dass die gelieferte Leistung an die Luft abgegeben werden kann.

Hierzu wird anhand der transportierten Leistung, einem meist aktiven Kühlsystem (aufgepresste Lamellen, Umgebungstemperatur, Luftgeschwindigkeit, Druckwiderstand etc.) und der Berücksichtigung des gesamten Wärmeverlaufs das gesamte Wissen der Thermodynamik abverlangt. Eine derartig komplexe Aufgabenstellung ist nur durch die Erfahrung von Spezialisten und durch eine Simulation der Gegebenheiten lösbar. Alternativ durch zeitaufwendiges und teures Prototyping.

An die Elektronikbranche angepasste Heatpipe

Oft sieht man in der Praxis, dass Kurven zur Leistungsfähigkeit von Heatpipes präsentiert werden, welche einen maximalen Wirkungsgrad bei 150°C vorweisen. Aber arbeitet Elektronik noch bei dieser Temperatur?

Eine der Elektronikbranche angepasste Heatpipe weist einen maximalen Wirkungsgrad bei 90°C auf. Über die Flüssigkeit im Inneren einer Heatpipe sowie den entsprechenden Unterdruck kann die Heatpipe auf diesen Wert justiert werden.

Auch ist es möglich, eine Heatpipe speziell für eine Applikation auf den optimalen Wirkungsgrad auszulegen und zu produzieren – allerdings lohnt sich dies erst ab Stückzahlen >2000.

Heatpipe-Systeme zu erschwinglichem Preis

Ein optimalen Wirkungsgrad bei 90°C, eine der Applikation „und“ den Anforderungen angepasste Formgebung und eine dem thermischen Widerstand entgegenwirkende Bauweise widersprechen nicht einem erschwinglichen Preis von Heatpipe-Systemen. Doch sollte man Abstand davon nehmen, Heatpipes eigenhändig in ihre Endform zu biegen und wenige Euro Produktionskosten zu sparen. Dies sorgt im Durchschnitt zu 30% Ausschuss (entweichender Unterdruck, Leckage, Leistungsausfall) und erzeugt weitaus höhere Kosten bei der Schadensbehebung.

Ein Heatpipe-System ist und bleibt ein Fall für den Spezialisten – vom Konzept bis zur Ausführung –, doch ist dieser Lösungsansatz weitaus günstiger als man glaubt.

*Tobias Best ist geschäftsführender Gesellschafter der Alpha-Numerics GmbH.

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