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Kleine Kühlkörper-Kunde: Standard oder nach Maß

| Autor / Redakteur: Wilfried Schmitz * / Gerd Kucera

In der hohen Kunst des Verlustwärme-Managements ist schon die Wahl des geeigneten Kühlkörpers nicht trivial. Neben Werkstoff und Kühlkörperformat sind weitere Aspekte essentiell, wie der Artikel zeigt.

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Bild 1: Leistungselektronik benötigt für eine zuverlässige Funktion und lange Lebensdauer kompakte und effiziente Kühlkörper zur sicheren Wärmeabfuhr.
Bild 1: Leistungselektronik benötigt für eine zuverlässige Funktion und lange Lebensdauer kompakte und effiziente Kühlkörper zur sicheren Wärmeabfuhr.
(Bild: Detmar Schmoll)

Die Leistungsdichte elektronischer Bauteile jüngster Generation macht das thermische Management zu einer Herausforderung. Denn mehr mikroelektronische Bauelemente pro Flächeneinheit ziehen größere Leistungsdichten und damit höhere Verlustwärme nach sich. Damit ist das thermische Management immer wieder eine Herausforderung bei der Entwicklung leistungselektrischer Systeme mit stetig steigender Leistungsdichte. Der Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts kommt folglich eine tragende Bedeutung zu. Gefragt sind leistungsstarke Kühlmethoden, die passgenau auf den jeweiligen Anwendungsfall optimiert sind. Nur so lässt sich eine thermische Überlastung der empfindlichen Bauteile vermeiden, die Fehlfunktionen und einen frühzeitigen Ausfall des Bauteils und gar der Baugruppe nach sich ziehen.

Welcher Kühlkörper bzw. welches Kühlkonzept zu welcher Anwendung passt, hängt in erster Linie von den Einbauverhältnissen sowie der Verlustleistung des zu kühlenden Bauteils ab. Die Anforderungsbreite etwa für die Automobil-, Haushalts- und Unterhaltungselektronik ist hierbei groß und die Thematik keineswegs einfach. Mehr als 25 Jahre Erfahrung führten bei CTX Thermal Solutions zu einem entsprechend breiten Kühlkörpersortiment mit Standardausführungen und zugeschnittene CNC-Maßanfertigungen.

Hinzu kommen Hochleistungskühlkörper für industrielle Netzteile und Computer sowie spezielle Lösungen für den Bereich der regenerativen Energien sowie für Haus- und LED-Technik. Das Produktspektrum reicht von wenigen Millimeter großen Kühlkörpern für SMD-Bauelemente bis zu 200 kg schweren Flüssigkeitskühlkörpern, wie sie für Wechselrichter in Eisenbahnen typisch sind. Ebenso bietet CTX auf die Kühlkörper abgestimmte Lüfter und Gehäuse an, um die Elektronikkomponenten in den verschiedenen Branchen zu schützen.

Passiv oder aktiv: die Anwendung entscheidet

Zur Auswahl stehen passive und aktive Kühlsysteme. Ein passiver Kühlkörper führt die Wärme vorrangig durch Konvektion ab. Die erwärmte Umgebungsluft steigt auf und lässt kühlere Luft nachströmen. Entscheidend dafür sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials, eine große Oberfläche und ein ausreichend großer Abstand zwischen den Kühlrippen des Kühlelements. Grundsätzlich gilt: Wann immer Bauraum und Verlustleistung es erlauben, sollte aus Gründen der Langzeitzuverlässigkeit und Kosten, die Wahl auf eine passive und damit lautlose Kühllösung fallen. Dazu gibt es mehrere Modelle in unterschiedlichen Formen und Materialien.

Kühlkörper aus Aluminium-Stranggussprofilen zählen zu den Klassikern unter den passiven Elektronikkühllösungen. Sie leiten große Wärmemengen zuverlässig ab, sichern den stabilen Betrieb der Bauteile und erhöhen deren Lebensdauer. Ebenso funktionieren die Kühlkörper für SMD-Bauelemente nach diesem Prinzip. Sie ermöglichen eine sehr dichte, auch beidseitige Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur Miniaturisierung der Geräte bei.

Erzwungene Kühlung ist wirksamer als freie Konvektion

Wenn passive Kühlkörper an ihre Grenzen stoßen, rücken aktive Kühllösungen in den Vordergrund. Die Entwärmung mit kleinformatigen Lüftern und Gebläsen ist leistungsstärker als die freie Konvektion. Die Lüfter und Gebläse lassen sich sowohl alleinstehend als auch in Kombination mit einem Kühlkörper nutzen, um die entstehende Wärme forciert abzuführen. Solche Lösungen arbeiten bei gleicher Masse etwa sechsmal so effektiv wie ihre passiven Pendants. Entsprechend kompakt werden sie gebaut.

Die Königsklasse der aktiven Kühlung sind Flüssigkeitskühler. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen. Hierbei erfolgt die Wärmeableitung direkt am elektronischen Bauteil, welches sich auf dem flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement befindet. Bei diesem wärmetechnischen Konzept überzeugt die Effizienz: Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen lassen sich 15% bis 25% mehr Wärme ableiten.

Ein weiteres Plus: Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus und sind daher kompakt. Eine typische Anwendung ist die Kühlung moderner Hochleistungs-IGBT-Module durch Ultra-Hochleistungskühlkörper. Bei dieser Variante leiten breite und in eine Aluminiumplatte eingelassene Kupferrohre die Hitze aus dem Bauelement schnell ab.

Der richtige Werkstoff und das richtige Format

Material und Format spielen bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers eine zentrale Rolle. Die thermische Leistung ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers. Aluminium hat ein geringes Gewicht bei guter Wärmeleitfähigkeit. Mittels Umformung im Extrusionsverfahren wird die Geometrie der Kühlkörper optimiert und den Erfordernissen angepasst. Eine zusätzliche Oberflächenveredlung, beispielsweise durch Eloxieren, verbessert die Wärmeabstrahlung der Kühlkörper nochmals.

Eine Materialalternative ist Kupfer. Die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers führt innerhalb des Kühlkörpers zu einer schnellen und optimalen Wärmeverteilung – allerdings zu einem höheren Preis. Um die Kosten gering zu halten, kombiniert CTX beide Materialien und setzt Kupfer nur am Hotspot ein, der Stelle mit der höchsten Verlustleistung. Der überwiegende Teil des Kühlkörpers besteht dagegen aus Aluminium.

Wirksame Kühlkörper für Embedded Systeme

Ist die Leistungsdichte und damit auch die entstehende Abwärme so hoch, dass die lüfterforcierte Kühlung nicht ausreicht, muss die Flüssigkeitskühlung eingesetzt werden.
Ist die Leistungsdichte und damit auch die entstehende Abwärme so hoch, dass die lüfterforcierte Kühlung nicht ausreicht, muss die Flüssigkeitskühlung eingesetzt werden.
(Bild: Detmar Schmoll)

Wenn es besonders klein sein muss, kommen Embedded-Kühlkörper zum Einsatz – je nach Anforderungen passiv oder aktiv. Speziell für Embedded-Systeme und Industriecomputer bietet CTX passgenaue und CNC-gefertigte Lösungen zur schnellen und zuverlässigen Wärmeabfuhr. Das Angebot umfasst Kühlkörper mit Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot sowie Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes sowie Lüftern.

Bild 3: 
Ein Werkzeug für die Herstellung von Kühlkörpern aus Druckguss.
Bild 3: 
Ein Werkzeug für die Herstellung von Kühlkörpern aus Druckguss.
(Bild: Detmar Schmoll)

Ebenso erhältlich sind komplette Sets, bestehend aus Kühlkörper, Isolierungen, Montagebolzen sowie projektspezifische Gehäuse. Nicht weniger effizient und kompakt sind die Hochleistungskühlkörper. Die modular aufgebauten hartgelöteten Aluminiumrippenkühler sind ideal für eine Lüfter-gestützte Kühlung. Da beim Hartverlöten die Molekularstrukturen der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt werden, treten bei ihnen nur minimale Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf. Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40% leichter und kompakter. Sie lassen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen – selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.

Den Zustand simulieren und passgenau kühlen

Ist eine Standardlösung nicht die optimale Wahl, entwickelt CTX zusammen mit dem Konstrukteur den passenden Kühlkörper. Wie dieser im Detail auszulegen ist und wie die Lüfter dimensioniert sein müssen, legt eine thermische Simulation fest. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils im Vorfeld berechnen. Voraussetzung ist die Eingabe definierter thermodynamischer Randbedingungen. Dazu gehören zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen geometrische Einschränkungen, d.h. der zur Verfügung stehende Platz, sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur.

Bild 4: 
Ein Beispiel einer Flüssigkeitskühlung für die Elektromobilität.
Bild 4: 
Ein Beispiel einer Flüssigkeitskühlung für die Elektromobilität.
(Bild: CTX)

Ob das zu kühlende Bauteil in einem Büro bei maximal 25 °C, in einem Kühlhaus bei -40 °C oder bei Arbeitstemperaturen von 70 °C beispielsweise in der Nähe von Motoren oder Lichtquellen zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz zwischen Umgebungs- und Sperrschichtemperatur, das ΔT, fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein. Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert Rth gibt an, wie viel Kelvin Temperaturdifferenz erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 W zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.

Probleme früh erkennen und Kosten sparen

Speziell bei der Entwicklung eines neuen Produkts kann eine solche thermische Simulation dazu beitragen, mögliche Wärmeprobleme frühzeitig zu erkennen. Zudem trägt sie durch die Optimierung des Kühlkörper-Designs maßgeblich zur Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht bei. Stellt sich beispielsweise heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies in nicht unerheblichem Maß Material- und Fertigungskosten.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 13/2020 (Download PDF)

Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden, wie bei hohen Stückzahlen dem Druckguss statt einer aufwendigen CNC-Bearbeitung, lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Lösungen die Kosten reduzieren. Ein weiterer entscheidender Vorteil: Durch die thermische Simulation entfällt in der Regel die kostspielige Prototypenfertigung oder sie wird deutlich reduziert.

* Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer, CTX Thermal Solutions GmbH, Nettetal.

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