Elektronik entwärmen mit pulsierenden Heatpipes

| Autor / Redakteur: Dr. Markus Winkler und Dr. Kilian Bartholomé* / Kristin Rinortner

Elektronik-Kühlung: Das Infrarotbild zeigt die Wärmeverteilung in einem Kupferstab (gelbgrün, links im Bild) im Vergleich zu einer pulsierenden Heatpipe aus Glas (rote Struktur rechts).
Elektronik-Kühlung: Das Infrarotbild zeigt die Wärmeverteilung in einem Kupferstab (gelbgrün, links im Bild) im Vergleich zu einer pulsierenden Heatpipe aus Glas (rote Struktur rechts). (Bild: Fraunhofer IPM)

Eine vielversprechende Lösung zur gezielten Entwärmung von Hotspots sind pulsierende Heatpipes. Die Wärmeleitfähigkeit dieser speziellen Wärmerohre ist gleich gut oder sogar besser als die von Diamant.

Mehr Leistung, mehr Abwärme: Steigende Leistungsdichte in der Elektronik erfordert ein immer effizienteres Abwärme-Management. Leistungsstarke Elektronik ist bereits heute ein wichtiger Bestandteil in Produkten der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche. Nach einer Studie des US Air Force Avionics Integrity Program AVIP sind bis zu 55% der Elektronikausfälle durch thermische Überlastung bedingt. Und auch die Funktion vieler elektronischer Bauteile ist temperaturabhängig.

Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung in der Mikroelektronik erreichen kleinste Komponenten bereits thermische Verluste von über 100 W/cm². Um eine fehlerfreie und stabile Funktion solcher Bauteile zu gewähren, müssen immer effektivere Konzepte zum Transport der Abwärme geschaffen werden. Dafür eignen sich vor allem passive Elemente, die im Vergleich zu aktiven Kühlern, wie z. B. Ventilatoren oder Wasserkühlungen, keine externe Energieversorgung benötigen. Relativ neu sind Entwärmungskonzepte, die mit pulsierenden Heatpipes (PHP) arbeiten.

Passive Kühlkonzepte verzichten auf bewegliche Elemente – mechanische Defekte sind daher ausgeschlossen. Das macht passive Kühler besonders für die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie interessant. Pulsierende Heatpipes zur Abführung von Verlustwärme gelten als kostengünstig, kompakt, leichtgewichtig und dabei hocheffizient. Als planare Wärmespreizer in Scheckkartengröße können sie mit hoher thermischer Effizienz zur Kühlung von Hotspots auf Leiterplatten eingesetzt werden.

Konzeptionelle Ansätze zur Elektronik-Kühlung

Prinzipiell lässt sich Wärme nur auf drei verschiedene Arten übertragen: per Wärmeleitung, durch Konvektion oder in Form von Wärmestrahlung. In Festkörpern wird die Wärme ausschließlich mittels Wärmeleitung transportiert. Wird die Wärme dagegen zusammen mit Materie transportiert, z. B. durch Verwirbelungen in einem Fluid (d. h. auch Luft), wird dieser Prozess als Konvektion bezeichnet. In einem Vakuum bleibt die Wärmestrahlung der einzig mögliche Übertragungsmechanismus. Alle Kühlkonzepte zur gezielten Entwärmung in der Elektronik setzen grundsätzlich an einer von drei Stufen an:

  • Stufe 1: Wärmeabfuhr vom Chip an einen direkt angeschlossenen Chipträger. Der Träger ist entweder das Chipgehäuse selbst (meist aus Kunststoff oder Keramik) oder bei Multi-Chip-Modulen ein spezielles Substrat.
  • Stufe 2: Wärmeabfuhr vom Chipträger zum Gehäuse oder zu einem Kühlkörper.
  • Stufe 3: Wärmeabfuhr vom Gehäuse bzw. von einem Kühlkörper an die Umgebung.

Umfangreiche Forschungsarbeiten zur Entwicklung und Charakterisierung neuer Materialien haben dazu geführt, dass die Kühlleistung der ersten Stufe in den letzten Jahren drastisch verbessert wurde. Historisch gesehen basieren die zweite und dritte Kühlstufe hauptsächlich auf direkter Wärmeleitung durch Feststoffe oder auf natürlicher bzw. erzwungener Konvektion durch Luft- oder Wasserkühlung. Seit Kurzem spielen jedoch Heatpipe-Konzepte für die zweite und dritte Kühlstufe eine immer größere Bedeutung. Wieso das so ist, wird im Folgenden näher erläutert.

Wie funktioniert eigentlich eine Heatpipe?

Heatpipes (HP) – im Deutschen auch Wärmerohre genannt – sind Bauelemente zur Wärmeübertragung, die mit einem Verdampfungs- bzw. Kondensationskreislauf arbeiten (Bild 1). Wird an einem Ende der Heatpipe Wärme (Q ̇zu) zugeführt, verdampft das Arbeitsfluid und strömt, durch das Temperatur- bzw. Druckgefälle getrieben, entlang der adiabaten Zone zum Kondensator.

Dort kondensiert der Dampf und gibt seine latente Wärme (Q ̇ab) an die externe Wärmesenke ab. Um den Kreislauf aufrechtzuerhalten, muss das Kondensat dem Verdampfer wieder zugeführt werden. Dies erfolgt meist über eine integrierte Dochtstruktur – auch „Wick“ genannt – aus z.B. Rillen-, Netz- oder Sinterstrukturen, die das Kondensat mithilfe der Kapillarkraft zurück zum Verdampfer fördert.

Bild 1: Eine Heatpipe ist ein zweiphasiges Wärmetransportelement, mit dem sich Wärme sehr effizient und schnell von einer Wärmequelle (Q ̇zu) zu einer Wärmesenke (Q ̇ab) abführen lässt. Schematisch dargestellt sind zwei verschiede Typen. Links ein Zwei-Phasen-Thermosiphon und rechts eine Heatpipe mit integrierter Dochtstruktur (auch Wick genannt).
Bild 1: Eine Heatpipe ist ein zweiphasiges Wärmetransportelement, mit dem sich Wärme sehr effizient und schnell von einer Wärmequelle (Q ̇zu) zu einer Wärmesenke (Q ̇ab) abführen lässt. Schematisch dargestellt sind zwei verschiede Typen. Links ein Zwei-Phasen-Thermosiphon und rechts eine Heatpipe mit integrierter Dochtstruktur (auch Wick genannt). (Bild: Fraunhofer IPM)

Liegt der Kondensator oberhalb des Verdampfers, kann auch die Schwerkraft für den Rücktransport genutzt werden (Zwei-Phasen-Thermosiphon). Auch der Einsatz anderer Kräfte, wie z. B. Fliehkräfte, ist denkbar. Im Vergleich zu einem Metallleiter gleicher Größe hat eine Heatpipe eine 1000- bis 10.000-fach höhere Wärmeleitfähigkeit. In der Regel wird ein geschlossenes Metallrohr verwendet. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Metallen eignen sich dafür z.B. Aluminium, Kupfer oder auch Edelstähle. Das Arbeitsmedium liegt sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Phase im Behälter vor. Das Wärmerohr lässt sich in eine Verdampfer-, eine adiabate Transport- und eine Kondensatorzone unterteilen.

Über die durch die Wärmequelle in den Kondensator zugeführte Wärme wird das Fluid an der Innenwand erwärmt und verdampft. Dabei wird die aufgenommene latente Wärme durch den Flüssigkeitsdampf über die adiabate Transportzone hin zum Kondensator transportiert. Dort kondensiert der Flüssigkeitsdampf an der Innenwand und fließt dann entlang dieser Wand wieder zurück zum Verdampfer.

Eine spezielle Ausführung von Heatpipes sind die sogenannten pulsierenden Heatpipes. Diese bieten enorme Vorteile für eine effiziente Elektronik-Kühlung – vor allem in Form einer planaren Struktur.

Pulsierende Heatpipes bieten enorme Vorteile

PHPs zeichnen sich durch eine thermische „Doppelwirkung“ aus, denn es werden sowohl sensibler als auch latenter Wärmeübertrag genutzt. In einer PHP liegt das Arbeitsmedium in Gas- und Flüssig-Segmenten in einer Kapillarstruktur vor.

Diese Flüssig- und Dampfsegmente werden durch einen aufgeprägten Temperaturgradienten zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zum Pulsen angeregt. Der daraus resultierende sich selbst erhaltende Fluidfluss steigert den Wärmetransport drastisch (Bild 2a und b).

Während bei Standard-Heatpipes der Rückfluss des Fluids zur Wärmequelle meist durch eine Dochtstruktur erfolgen muss, besteht eine Pulsierende Heatpipe aus bis zu mehreren Dutzend dünner, mäanderförmiger Windungen, die partiell mit Flüssigkeit befüllt und evakuiert werden. Durch die Oberflächenspannung bilden sich zusammenhängende Segmente aus Fluid und Dampf. An der Heißseite dehnen sich die Dampfsegmente aus und schrumpfen bzw. kondensieren an der Kaltseite wieder.

Dadurch liegen stets lokale Temperatur- und Druckunterschiede vor, deren Ausgleich das zweiphasige System durch verschiebende Kräfte auf die Fluid/Dampf-Segmente anstrebt. Diese Kräfte erzeugen eine ständige pulsierende Bewegung der Segmente, wobei das System nie in ein statisches Gleichgewicht gerät. Durch die Bewegung der Segmente erfolgt der Fluidtransport von der Heißseite (Wärmequelle) zur Kaltseite – und somit auch der Wärmetransport.

Solche passiven Wärmespreizer können direkt in Leiterplatten integriert werden, sparen Gewicht und sind kostengünstig. PHPs besitzen das Potential, deutlich höhere Wärmeflüsse abzuführen als konventionelle HPs. Im Gegensatz zur konventionellen HP ist die Funktionsweise einer PHP bei geeigneter Auslegung kaum von der Orientierung bzw. der Gravitationskraft abhängig. Auch ist keine aufwändige innere Dochtstruktur für den Rücktransport des Arbeitsmediums vom Kondensator zum Verdampfer nötig.

Das kann die Herstellungskosten deutlich senken. Außerdem lässt sich eine klassische HP nicht ohne weiteres in eine Leiterplatine integrieren. Dagegen beinhaltet eine PHP vergleichsweise kleine Kanäle und kann als flache, planare Platte mit Dicken von 1 bis 3 mm hergestellt werden. Das erleichtert die Integration in Leiterplattenstrukturen und erlaubt eine gute thermische Ankopplung eingebetteter Leistungsbauteile.

Bild 3: Mögliche Anbindung einer PHP an ein elektrisches Bauteil in einem Leiterplattenverbund.
Bild 3: Mögliche Anbindung einer PHP an ein elektrisches Bauteil in einem Leiterplattenverbund. (Bild: Fraunhofer IPM)

PHPs revolutionieren die Elektronik-Kühlung

Fraunhofer IPM kann mit PHPs viele Entwärmungsprobleme effizient lösen. Die PHP wird dabei als gebogenes Rohr oder auch als flache Platte ausgeführt. Bild 3 zeigt, wie eine planare PHP typischerweise an ein elektronisches Bauteil angebunden werden kann. Am IPM entwickelte und gebaute PHPs führen Wärme effizient ab. Beispielsweise hat eine neu entwickelte 100 mm × 50 mm × 2,5 mm große PHP aus Kupfer mit bis zu 2500 W/mK eine etwa sechsfach höhere effektive Wärmeleitfähigkeit als eine gleich große Platte aus Vollkupfer. Dieser Wert ist vergleichbar mit Diamant! Diese enorme Wärmeleitfähigkeit wird in Bild 4a und b eingeordnet: Die Grafiken vergleichen die für die Kühlleistung relevanten Daten einer Kupferplatte mit denen einer gleich großen planaren PHP.

Neben den reinen Leistungsdaten haben PHPs beim Einsatz in der Elektronik-Kühlung noch weitere Vorteile: Sie funktionieren weitgehend lageunabhängig und rein passiv – so wie eine integrierte Wasserkühlung – kommen jedoch ohne beweglichen Teile und ohne Stromversorgung aus. Das macht PHP-basierte Lösungen prinzipbedingt zuverlässig und erlaubt eine kostengünstige Massenfertigung. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Montage von PHPs, weil der Anteil an Hohlräumen gegenüber herkömmlichen HP-Wärmespreizern (Vapor Chamber) deutlich kleiner ist. Das macht PHP-Wärmespreizer sehr stabil und damit z.B. unempfindlich gegenüber Pressprozessen bei der Produktion von Leiterplatten.

Heatpipes kühlen nicht

Heatpipes kühlen nicht

21.01.19 - Mit Heatpipes können Sie das Wärmemanagement äußerst effizient gestalten. Da sich Wärmeleitrohre flexibel anpassen lassen, finden sie in Elektronik und Automobil viele Anwendungen. Der Artikel beschreibt Aspekte zur Auswahl und zum Einsatz von Heatpipes und das angegliederte Wärmemanagement. lesen

Wärmemanagement von Leiterplatten

Wärmemanagement von Leiterplatten

16.07.18 - Wie wirkt sich Kälte auf Elektronik aus? Beim Wärmemanagement von Leitplatten denkt jeder sofort an die Überhitzung der Bauteile. Über das untere Ende der Temperaturskala – also „Kältemanagement“ – machen sich die wenigsten Designer Gedanken. lesen

* Dr. Markus Winkler ist Projektleiter in der Gruppe Kalorische Systeme am Fraunhofer IPM in Freiburg. // Dr. Kilian Bartholomé ist Gruppenleiter Kalorische Systeme am Fraunhofer IPM in Freiburg.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45834562 / Wärmemanagement)