Cooling-Trends 2013 Wärmemanagement für Elektronik, Leistungselektronik und IT

Autor / Redakteur: Hermann Strass* / Johann Wiesböck

Die Cooling Days der ELEKTRONIKPRAXIS vom 22. – 24. Oktober 2013 bieten eine einmalige Gelegenheit, Ihre Kenntnisse im Wärmemanagement von Elektronik auf den Stand der Technik bringen? Alle Infos finden Sie unter www.cooling-days.de. Eine Einführung in aktuelle Cooling-Trends bietet dieser Beitrag.

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Beispiel einer 3D-Chiparchitektur: Die Röhrchen sind Leiterbahnen. Zusätzlich können aber auch Kühlkanäle eingeätzt werden.
Beispiel einer 3D-Chiparchitektur: Die Röhrchen sind Leiterbahnen. Zusätzlich können aber auch Kühlkanäle eingeätzt werden.
(Bild: Micron)

Die Entwärmung (oder seltener die Kühlung) von Elektronik-Chips, -Platinen, -Systemen und Datenzentren ist ein ‚heißes‘ Dauerthema. Für die leider notwendige Entwärmung oder Kühlung wird mehr Energie benötigt als für die erwünschte logische Leistung. Daher reduzieren effektive Methoden und Verfahren zur Entwärmung den Energiebedarf von Elektronikbauteilen und -systemen besonders stark. Das hat sehr positive Auswirkungen auf die Kosten und auf die Umweltbelastung.

Durch die ständige Verkleinerung der Elektronik (Chips, Geräte und Systeme) wird gleichbleibende oder nur mäßig reduzierte elektrische Energie auf kleinere Flächen oder Volumen konzentriert. Höhere Taktfrequenzen oder Übertragungsraten im hohen Gigahertzbereich produzieren mehr Stromverbrauch und damit mehr Wärmeenergie. Entwärmung wird also immer wichtiger und muss deshalb sorgfältiger untersucht und besser geplant werden.

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Diese Themen werden jedes Jahr auf den Cooling Days in Würzburg besonders gründlich behandelt. Wegen der zunehmenden Bedeutung und Komplexität der Themen gibt es jedes Jahr signifikante Neuheiten. Am ersten und dritten Tag gibt es vertiefende Seminare, am zweiten Tag werden relevante Themen und Lösungen in einem breiten Themenspektrum vorgestellt.

Kühlung oder Entwärmung?

Wegen der Energieeinsparung wird nach Möglichkeit auch bei großen Datenzentren ‚nur‘ Entwärmung anstatt Kühlung betrieben. Dabei wird die durch den Betrieb erzeugte Wärme wieder abgeführt. Es wird also nicht abgekühlt, sondern die Umgebungstemperatur oder eine etwas erhöhte Temperatur hergestellt.

Die daraus resultierende verkürzte Lebensdauer (Arrhenius-Regel, siehe weiter unten) wird in Kauf genommen, weil elektronische Systeme in wenigen Jahren so veraltet sind, dass sie ohnehin ausgetauscht werden müssen. Einer der Hauptgründe für einen Austausch ist oft schon der deutlich reduzierte Energiebedarf neuerer Systeme. Für die Elektronik im Automobil wird allerdings eine sehr viel längere Einsatzdauer verlangt (10 Jahre und mehr).

Technische Möglichkeiten

Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten Wärme zu entfernen oder Elektronik zu kühlen. Die Wärmeenergie kann abtransportiert, abgeleitet oder abgestrahlt werden. Die drei Methoden, in der Reihenfolge der Anwendungshäufigkeit, sind:

  • Wärmetransport (convection-cooled): Teilchenstromaus, Gas (Luft) oder Flüssigkeit
  • Wärmeleitung (conduction-cooled): Wärmefluss im Feststoff, Metall oder Thermomaterial
  • Wärmestrahlung (thermal radiation): elektromagnetische Wellen, Infrarot

Beim Wärmetransport mit dem Medium Luft wird sehr häufig die Luft mit Hilfe von Gebläsen oder Ventilatoren beschleunigt durch die Systeme geblasen, um die Wirksamkeit zu verbessern. Die Wärmeleitung transportiert Energie in Richtung geringerer Temperatur, ohne Materialtransport.

Metalle und Diamant sind besonders gute Wärmeleiter. Die Wärmestrahlung wird nur selten genutzt (oft im Weltraum), weil sie wenig effektiv ist und die Wärme auch auf danebenliegende Bauteile abstrahlt, die aber ebenfalls entwärmt und nicht aufgewärmt werden sollen.

Die meisten Entwärmungssysteme sind eine Mischung aus unterschiedlichen Anteilen, vorzugsweise von Wärmeleitung und Wärmetransport. Das gilt insbesondere für 'heat pipes', die oft eine Art Docht enthalten, der mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit getränkt ist. Vorteil ist, dass keine Pumpe oder Ventilator benötigt werden.

Während der Cooling Days wird über die Praxis und Simulation, dieser hier nur theoretisch skizzierten Möglichkeiten, in vielfältiger Weise berichtet.

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