Kühlkonzpet für COM Express Cooling Pipe für leistungsfähigere Embedded-Module

Elektronik wird immer leistungsfähiger. Die Packungsdichte im Chip und auf der Platine steigt; pro Flächeneinheit wird mehr Wärme erzeugt. Ein Kühlkonzept für COM-Express-Module macht zukünftige Leistungssteigerungen möglich.

Anbieter zum Thema

congatec GmbH

E.E.P.D. Electronic Equipment Produktion & Distribution GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Die Wärme verteilt sich nicht gleichmäßig auf einer Platine. Rund um Prozessoren und ihre Chipsätze entstehen Hitze-Spots, denn diese Bauteile erzeugen die meiste Wärme. In den Prozessoren sind deshalb Schutzmechanismen eingebaut, um eine Überhitzung und mögliche Zerstörung zu verhindern.

Der Anwender will aber die volle Performance nutzen. Ein Heruntertakten der CPU oder gar Abschalten des Prozessors sind deshalb nur Notfallpläne. Es braucht neue Kühlkonzepte, damit die angebotene Rechenleistung sich voll entfalten kann. Bisherige Kühllösungen stoßen bereits heute an ihre Grenzen und der Trend zu mehr Leistung ist weiterhin ungebrochen. Das Konzept der COM-Express-Module macht Kundenprodukte zukunftssicher.

Auf die bestehende, kundenspezifische Basisplatine können immer leistungsstärkere COM-Express-Prozessormodule aufgesteckt werden. Das skalierbare Konzept unterstützt Kunden dabei, schnell und kostengünstig verschiedene Einsatzgebiete erfolgreich abdecken zu können. Für volle Performance muss das Prozessorsystem aber kühl bleiben.

Klassische Kühlkette reicht bis maximal 35 W

In der klassischen Kühlkette eines Moduls sind sandwichartig verschiedene Funktionen übereinander gestapelt. Auf dem Chip ist ein Kupfer- oder Aluminiumklötzchen als Wärmeaufnehmer aufgebracht. Optional befindet sich ein Phase-Change-Material zwischen Chip und Wärmeaufnehmer.

Dieses Material federt thermische Spitzenbelastungen ab. Durch die unterschiedlich hohen Bauteile sowie Fertigungstoleranzen kommt als nächste Schicht ein höhenausgleichendes, wärmeleitfähiges Material, der Gap-Filler. Den Abschluss bildet der Heatspreader, eine rund 3 mm starke Aluminium- oder Kupferplatte.

Es wird die Wärme des kompletten Moduls auf das Gesamtsystem verteilt. Ab dem Heatspreader entwärmen die üblichen Kühlkonzepte das Gesamtsystem. Die Module sind in ihren Anschlüssen und Abmaßen durch die COM-Express-Spezifikation festgelegt. Die Normung stellt einerseits die Kompatibilität sicher, andererseits kann wegen der festgelegten Maße ein Kühlkörper nicht beliebig groß dimensioniert werden. Deshalb kann dieser Modul-Kühlaufbau nur für Module mit einer Verlustleistung bis maximal 35 W eingesetzt werden.

Grenzen der herkömmlichen Lösung

Das COM-Express-Modul conga-BM67 enthält Intels Core-i5- oder i7-Prozessor. Die erzeugte Verlustleistung dieser Prozessoren liegt deutlich über 35 W. Das eigentliche Problem sind die Hitze-Spots rund um Prozessor und Chipsatz. Durch das verbesserte Kühlkonzept ergibt sich eine niedrigere Prozessortemperatur, die maßgeblich ist für eine häufigere Aktivierung der Turbo-Boost-Technik der zweiten Generation, um die maximale Leistung und Energieeffizienz zu erzielen. Der Prozessor kann somit auf einem höheren Niveau arbeiten, als durch die maximal zulässige Verlustleistung (TDP) vorgegeben ist.

Wichtig für eine gute Entwärmung ist eine perfekte thermische Kopplung an die Kühlung. Die Wärmeleitfähigkeit des Gap-Filler-Materials ist begrenzt. Sind hohe Verlustleistungen abzuführen, wird zwangsläufig die Gap-Filler-Schicht dünner. Dünne Gap-Filler-Schichten haben ein geringeres mechanisches Ausgleichspotenzial. Um Höhenunterschiede der Bauteile auszugleichen muss der Anpressdruck steigen.

Ab einem bestimmten Anpressdruck verbiegt sich aber die Leiterplatte. Das führt zur mechanischen Zerstörung von Anschlüssen. Lötpunkte von Ball-Grid-Array-Gehäusen (BGA) können abbrechen, Vias in der Platine abreißen. Die Kühlleistung hängt stark von der wärmeaufnehmenden Materialmenge und der abgebenden Oberfläche ab. Kupfer ist teuer, große Kühlkörper sind schwer und brauchen Platz, der nicht vorhanden ist. Nur den Kühlkörper zu vergrößern ist deshalb keine zukunftsträchtige Lösung.

(ID:30580000)