Cooling Pipe für leistungsfähigere Embedded-Module

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congatec GmbH

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CTX Thermal Solutions GmbH

Einsatz einer Heatpipe als Alternative?

Im Laptop lösen Heatpipes (Wärmerohre) das Problem. Heatpipes transportieren etwa 100 bis 1000 Mal höhere Wärmemengen als ein entsprechendes Rohr aus massivem Kupfer. Das Geheimnis liegt in dem physikalischen Effekt, das beim Verdampfen Energie aufgenommen und beim Kondensieren wieder freigegeben wird. Die Heatpipe ist an die heiße Seite und an eine kühlende Seite angeschlossen.

Sie ist mit einem Arbeitsmedium gefüllt. Dieses verdampft an der heißen Seite und kondensiert an der kühlen Seite. Das Kondensat gelangt durch Kapillarkräfte zurück an die heiße Seite und der Kreislauf beginnt von neuem. In der Heatpipe herrscht Unterdruck, das Arbeitsmedium verdampft also auch schon bei niedrigen Temperaturen. Die Kapillarkräfte hängen vom Aufbau der Heatpipe ab.

Geometrie und Lage beeinflussen die Transportgeschwindigkeit des Mediums und damit die Kühlleistung. Zu beachten sind Biegeradien, Durchmesser des Wärmerohres und Einbaulage. Ein Laptop hat vergleichsweise viel Platz um eine Heatpipe-Lösung unterzubringen. COM-Module hingegen müssen immer an der gleichen geometrischen Position an die Kühllösung des Gesamtsystems angeschlossen werden, denn die Module sind frei austauschbar.

Klassische Kühlung trifft Heatpipe

Schnelle Spot-Entwärmung, gute thermische Anbindung, Wegfall mechanischer Belastungen und höhere Kühlleistung bei gleichzeitig identischen geometrischen Abmessungen – eine Aufgabe, die auf den ersten Blick wie die Quadratur des Kreises aussieht. congatec nahm sich der Herausforderung an und bietet eine Kombination der klassischen Lösung mit konstruktiv veränderter Heatpipe. Etwa ein Jahr wurde an einer serienreifen Idee gefeilt. Im Gegensatz zum klassischen Aufbau wird nun eine abgeflachte Heatpipe zur Wärmeübertragung vom Chip zur Heatspreader-Platte verwendet.

Die Heatpipe ist an dem Kühlklötzchen des Chips und an der Heatspreader-Platte direkt befestigt. Dadurch steigt der Wärmetransport aus der Prozessorumgebung zum Heatspreader, die Spots werden schneller entwärmt und der Prozessor optimal gekühlt. Spiralfedern mit definierter Federkonstanten und auch die Heatpipe selbst in ihrer flexiblen Höhe sorgen für einen optimalen Anpressdruck an den Prozessorchip. Fertigungstoleranzen beim Lötprozess oder Bauhöhendifferenzen der Chips werden somit in jede Richtung ausgeglichen. Dadurch wird die Gap-Filler-Schicht überflüssig.

Ein weiterer Vorteil, denn aus Gap-Filler-Materialien können bei Wärmebelastung Silikonöldämpfe austreten und sich an anderer Stelle störend niederschlagen. Aussparungen im Heatspreader nehmen die abgeflachte Heatpipe auf. Dadurch bleibt die Bauhöhe identisch. In der Wärmezone der Heatpipe liegt sie frei in einer Aussparung, in der Kondensationszone hingegen liegt sie in einer Nut großflächig auf der Heatspreader-Platte. So bleibt genügend Platz zum Auslenken des Rohres und dennoch ist die Heatpipe thermisch perfekt an beide Seiten gekoppelt.

Neues Kühlmodul beflügelt Kundenideen

congatecs neue Kühllösung schafft Freiräume für neue Ideen. Beispielsweise kann die Heatpipe so gestaltet werden, dass sie an kundenspezifische Kühlkörper angeschlossen werden kann. Zusammen mit entsprechend dimensionierten Kühlrippenoberflächen am Gehäuse sind lüfterlose Designs möglich. Die jeweilige Ausgestaltung hängt letztlich von der Anwendung ab.

Die wesentlichen Merkmale des Konzeptes sind genauso bei anderen elektronischen Schaltungen einsetzbar. Hitzespots treten auch in Leistungselektronikmodulen auf. Halbleiterschaltungen in Gleich- und Wechselrichtern könnten davon profitieren und ihre Wärme gezielt, kostengünstig und mit kleinen Geometrien kühlen.

Die neue Kühllösung empfiehlt sich auch bei geringeren Verlustleistungen. Die Module bekommen eine höhere thermische Reserve wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit steigt. Eine durchschnittliche Temperaturverringerung von nur 5 Kelvin kann eine statistische Verdopplung der Lebenszeit bedeuten. Ein überzeugendes Argument, wenn man die Gesamtkosten über die Lebensdauer eines Systems betrachtet.

* * Konrad Pfaffinger ist Entwickler von Computer-Modulen und deren Mechanik bei congatec in Deggendorf.

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