Die fünf größten Irrtümer in der Elektronikkühlung

| Autor / Redakteur: Tobias Best * / Kristin Rinortner

Entwärmung: Die Entwärmung von Bauelementen und Bauteilen gewinnt immer mehr an Bedeutung.
Entwärmung: Die Entwärmung von Bauelementen und Bauteilen gewinnt immer mehr an Bedeutung. (Bild: ALPHA-Numerics)

Die Entwärmung elektronischer Systeme ist nicht trivial und für das thermisch richtige Layout gibt es leider kein Patentrezept. Wir diskutieren die häufigsten Gedankenfehler beim Wärmemanagement.

Die Miniaturisierung hat seit Jahren in der Elektronikindustrie nicht nur Einzug gehalten, sie ist viel mehr zu einem zentralen Entwicklungsziel geworden. Doch mit der kontinuierlichen Verdichtung der Komponenten sowie der Steigerung des Funktionsumfanges und der damit verbundenen Leistungssteigerung wird automatisch auch mehr ungewollte Wärme erzeugt. Je kleiner die Verlustleistungsquelle wird, desto mehr Entwicklungsaufwand wandert in ein adäquates Wärmemanagement.

Nichts desto trotz wird die aufkommende Problematik von vielen Entwicklern in den ersten Konzeptphase ignoriert oder mit vermeintlich vorhandener Erfahrung kleingeredet. Doch die Kopfschmerzen holen einen früher oder später ein. Eine verspätete Überlegung, auch die thermische Seite zu beleuchten und Maßnahmen im Produkt zu realisieren, kostet nicht nur Zeit, sondern auch sehr viel Geld.

Möchte man diese Thematik früh genug im Entwicklungsprozess implementieren, bedeutet dies meist neben dem Prototyping eine simulative Betrachtung der thermischen Charakteristik des Produktdesigns.

Die Vorteile sind:

  • Durch die dreidimensionale Betrachtung der Wärmewege kann die richtige Position des späteren Messfühlers definiert werden.
  • Zusätzlich hat man nicht nur punktuelle Aussagen über die Temperatur, sondern kann aus den CFD-Ergebnissen auch die Wärmewege herauslesen und verstehen wo, warum und wie viel Wärme entsteht.
  • Es können Misserfolge bei Messungen an den Prototypen schon frühzeitig vermieden werden, indem man erst einmal virtuell das Problem erkennt und Lösungen erarbeitet.

Es existieren zahlreiche Irrtümer in Bezug auf das thermische Design, welche in der Regel meist einfach zu entkräften sind. Doch hier möchte ich die fünf größten Denkfehler aufgreifen, die in meiner Arbeitswelt immer wieder regelmäßig auftreten.

1. Das thermische Design hat nicht die höchste Priorität und wird von Konstrukteuren in Angriff genommen, sobald das Elektronikdesign steht.

Obwohl Mechanik-Ingenieure oder Konstrukteure oft ein fundiertes Wissen über die Physik der Wärmeausbreitung haben, ist das thermische Design nicht deren exklusive Aufgabe. So ziemlich alle Ingenieure verstehen die Rolle der Temperatur in der Entwicklung und können mit den richtigen Werkzeugen sehr einfach ein Problem eingrenzen, wenn etwas zu heiß wird.

Wird die Aufmerksamkeit zu spät auf diese Thematik gerichtet, werden die Gegenmaßnahmen oft sehr teuer und deren Entwicklung zeitintensiv. Laut einer Studie halten 40% der Entwicklungsingenieure das thermische Design für nicht ganz so wichtig.

Deren Top-Priorität liegt im Bestehen von Zulassungsverordnungen, neuen Funktionen und der Gerätezuverlässigkeit. Doch die Ironie ist, dass ein gutes thermisches Design alle drei Prioritäten unterstützt und teilweise erst möglich macht.

Befasst man sich frühzeitig im Entwicklungsprozess mit dem thermischen Design, können Wärmenester schon in der Entstehung vermieden werden. Hätte man schon im ersten Design das thermische Management geprüft und eventuell einfach die Wärmequellen anders verteilt oder angebunden, wäre mancher Lüfter nicht notwendig gewesen.

2. Alles kann mit einem Lüfter oder einem Kühlkörper gelöst werden.

Zwei der meist genutzten Lösungsansätze für überhitzende Komponenten sind „einfach einen extra Lüfter spendieren“ oder „auf die Schnelle einen extra Kühlkörper montieren“. Dies ist nicht immer der beste Ansatz. Ein Lüfter kann auch sehr schnell kontraproduktiv sein. Man steckt noch eine Komponente in das System, welche Bauraum verschlingt, eine zusätzliche Ausfallwahrscheinlichkeit implementiert, zusätzliche Kosten verursacht und mit Energie versorgt werden muss.

Zusätzlich müssen für eine effektive Lüfterkühlung die Ansaugseite und die Ausblasseite klar voneinander getrennt sein und ein Luftkurzschluss selbst zwischen Geräte-Einlassöffnung und Geräte-Auslassöffnung, vermieden werden.

Nachträglich eingebrachte Kühllösungen sind meist nicht effektiv. Die Position in einem schon fertig designten Konzept ist meist suboptimal. Der Luftweg kann nicht sauber geführt werden. Andere außer Acht gelassene Komponenten sind auf einmal im Windschatten oder erhalten die Abwärme zuvor gekühlter Komponenten. Diese beiden schnellen Lösungsansätze sind ohne eine frühzeitige Integration in das Design nicht effektiv.

3. Thermische Simulation ist sehr kompliziert und zeitaufwendig – nur Experten sollten eine derartige Software bedienen.

So wie die Entwicklung bezüglich des thermischen Designs in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, haben sich auch die Werkzeuge, d.h. die Simulationstools für eine thermisch korrekte Vorhersage weiterentwickelt. In den Anfängen mussten die thermischen Ingenieure sich die Modelle noch von Grund auf mit sehr limitierten Mitteln zusammenbauen.

Heutzutage können vollständige CAD-Baugruppen ganz einfach importiert und mit ihren physikalischen Attributen (Material, Oberflächenbeschaffenheit und Verlustleistung) beschrieben werden. Selbst volldetaillierte Leiterplatinen mit Layout, Vias und speziellen Schichtaufbauten können relativ schnell importiert und für eine Simulation vorbereitet werden.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
Da gibts auch schon ein altes, sehr bewährtes Konzept dazu, die Hot Spots gezielt zu entwärmen:...  lesen
posted am 24.01.2018 um 17:04 von Unregistriert

Man könnte sogar sagen, die Miniaturisierung wird durch das Wärmeproblem gebremst. Die Probleme...  lesen
posted am 24.01.2018 um 08:51 von Armin Meininger

Ein wichtiger Punkt (für mich persönlich der Wichtigste überhaupt!) fehlt: STRAHLUNGSWÄRME wird...  lesen
posted am 23.01.2018 um 12:28 von Unregistriert

Die meißten Kühlungen dienen sehr bewusst als lebensbegrenzende Maßnahme...  lesen
posted am 23.01.2018 um 10:34 von Unregistriert


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45048097 / Leiterplatten-Design)