Acht Perspektiven an einem Tag Das bietet der Praxistag Wärmemanagement

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Steigende Leistungsdichten führen dazu, dass klassische Kühlkonzepte an ihre Grenzen stoßen. Der Cooling Track auf der „Power of Electronics” zeigt, wie Entwickler darauf reagieren können. Mit neuen Werkstoffen, generativem Design und Messverfahren im Mikrometerbereich.

Noch eine Woche, bis am 29. September in Würzburg die Power of Electronics ihre Tore öffnet. Im Track Wärmemanagement (ehemals Cooling Days) widmen sich unsere Experten am zweiten Kongresstag einem einzigen Tag einem Problem, das viele Entwicklerteams gerade jetzt an ihre Kalkulationsgrenzen bringt. SiC- und GaN-Leistungshalbleiter schalten schneller, KI-Beschleuniger setzen mehrere hundert Watt auf wenigen Quadratmillimetern Chipfläche frei, E-Antriebe sollen kompakter werden, ohne an Zuverlässigkeit zu verlieren. Die Verlustleistung pro Volumen steigt schneller, als sich klassische Kühlkonzepte nachziehen lassen. Wer hier noch mit Standard-Strangkühlkörpern und pauschal gewählter Wärmeleitpaste kalkuliert, riskiert in genau den Projekten zu scheitern, die aktuell auf den Tisch kommen.

Acht Vorträge, verteilt über den gesamten Mittwoch, spannen den Bogen von neuen Kühlkörperwerkstoffen über Simulationsmethodik bis zur Messtechnik. Wer den Tag mitverfolgt, bekommt dabei fast nebenbei auch einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik im gesamten Themenfeld Wärmemanagement.

Der Auftakt – neue Werkstoffe, Grundlagen, Simulation

Den Einstieg macht Eugen Pfeifer, Geschäftsführer von Automoteam, mit einem Angriff auf ein strukturelles Problem klassischer Kühlkörper: Nach seinen Angaben entstehen bis zu 90 Prozent des thermischen Gesamtwiderstands in der Konvektion, nicht in der Wärmeleitung. Die klassische Antwort darauf, eine höhere Rippendichte, erzeugt laut Pfeifer einen Zielkonflikt: Dichtere Rippen bedeuten dünnere wärmeleitende Querschnitte, der Rippenwirkungsgrad sinkt, und der Engpass verschiebt sich von der Konvektion zur Konduktion. Die in der Praxis verbreitete Reaktion, Kupfer statt Aluminium oder hochpreisige Wärmeleitmaterialien, hält Pfeifer für keine grundsätzliche Lösung: „Das ist oft der falsche Hebel an den falschen zehn Prozent des Problems. Das Problem wird vertagt, aber nicht gelöst.“

Sein Ansatz kehrt das Funktionsprinzip um: Statt nur die äußere Oberfläche eines massiven Kühlkörpers zu nutzen, soll das Kühlmedium über eine offenporige Struktur in das gesamte Volumen des Bauteils eindringen. Das Kernvolumen bliebe damit, anders als bei konventionellen Kühlkörpern, thermisch aktiv nutzbar. Auch der Verschmutzungsgefahr offenporiger Strukturen begegnet Pfeifer bereits im Vorfeld: Mikro-pulsierende Strömungen ohne klassische Staudruckzonen sollen für bis zu zehnfach längere Serviceintervalle gegenüber Standardfiltern sorgen; im Bedarfsfall lasse sich das System durch Rückblasen reinigen.

Direkt im Anschluss liefert Jeannine Barth von Fischer Elektronik den inhaltlichen Gegenpol: einen Grundlagenvortrag zu „Kühlkörperkonzepten und Entwärmungslösungen für Power-Module". Im Zentrum stehen die Stellgrößen des Wärmewiderstands: Verlustleistung, Umgebungstemperatur und Wärmeleitfähigkeit, sowie der Übergang von der Theorie zur praktischen Auswahl des passenden Entwärmungskonzepts.

Den Block schließt Tobias Best von Alpha Numerics mit einem Vortrag zu generativem Design für Fluidkühler. Sein Ansatz kombiniert automatisiert erzeugte Kühlstrukturen mit iterativer CFD-Bewertung, um Wärmeübergang und Druckverlust gegeneinander zu optimieren. Dabei wird explizit die Fertigbarkeit berücksichtigt. Best ist mit dem Thema Temperatursimulation an diesem Kongress mehrfach vertreten: Am Vortag hält er bereits einen zweiteiligen Workshop zur entwicklungsbegleitenden Temperatursimulation. Wer sich intensiver einarbeiten will, findet dort die Vertiefung zum Kurzvortrag im Cooling Track.

Kühlkörperdesign und Werkstoffe

Nach der Kaffeepause geht Jan Wanior von MB-Electronic den entgegengesetzten Weg zu Pfeifers Auftaktvortrag und bleibt beim klassischen Rippenkühlkörper. Allerdings fragt er, ob sich der Aufwand einer vollständigen numerischen Optimierung in vielen Fällen umgehen lässt. Auf Basis systematischer Simulationen zu Finnenabstand, Finnendicke, Finnenlänge und Basisdicke leitet er robuste Zielbereiche ab und vergleicht sie mit vollständig optimierten Lösungen. Für Entwickler ohne eigene Simulationskapazität ist das eine der praxisnächsten Sessions des Tages: Daumenregeln, die nachweislich nahe an die optimierte Lösung herankommen, sparen im Serienalltag Zeit.

Es folgt Dr. Björn Reetz von Materion Brush mit „Wärmemanagement in der Leistungselektronik: Das Potenzial von Speziallegierungen und Metallverbunden". Sein Vortrag behandelt Werkstoff-Verbundlösungen für Anwendungen, in denen Kupfer und Aluminium physikalisch nicht mehr ausreichen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn hohe Wärmeleitfähigkeit mit extremer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit gegen Wasserstoff oder Strahlungsresistenz kombiniert werden muss. „In solch einem Umfeld kommen klassische Metalle an ihr Limit“, sagt Reetz. Im Zentrum stehen zwei Werkstoffklassen: plattierte, also dauerhaft verbundene Metalle sowie Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe. Plattierte Metalle erlauben es laut Reetz, „die Dehngrenze an die zu erwartenden Spannungen anzupassen, Gradienten im Bauteil zu erzeugen oder Spannungen durch gezielte Zwischenlagen zu puffern“. Relevant überall dort, wo unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Halbleiter und Kühlkomponente thermischen Stress erzeugen. Dem verbreiteten Einwand, Hochleistungswerkstoffe seien zu teuer, hält Reetz eine Systembetrachtung entgegen: Reduziertes Gewicht, geringerer Bauraum und längere Lebensdauer könnten den Gesamtnutzen gegenüber Standardmaterialien rechtfertigen.

Messtechnik und neue Materialformen

Nach der Keynote wechselt der Fokus zur Verifikation: Oliver Roser vom Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) stellt mit der Mikrothermografie ein Messverfahren vor, das die Frage, die viele der vorangegangenen Werkstoff- und Designvorträge aufwerfen, genau beantwortet. Es stellt sich die Frage, wie man den thermischen Widerstand dünner, hochleitfähiger Verbindungen zuverlässig messen kann, zum Beispiel in Sinterschichten im Mikrometerbereich. Neben dem Messprinzip selbst thematisiert der Vortrag explizit Auswertestrategien und Messunsicherheiten mit Ergebnissen zu wärmeleitfähigen Klebstoffen, Löt- und Sinterverbindungen. Für Entwickler, die neue TIMs oder Fügetechniken bewerten müssen, liefert dieser Vortrag das methodische Rüstzeug. Damit können sie Herstellerangaben selbst einordnen. Diese Angaben finden sich etwa in den Vormittagssessions.

Anschließend präsentiert Simon Gumbel von Kerafol additiv gefertigte, dreidimensionale Gap-Pads aus thermisch leitfähigem TPE. Diese sind die Antwort auf variierende Bauteilhöhen und Anforderungen an das Top-Side-Cooling, bei denen klassische planare Gap-Pads an ihre Grenzen stoßen. Im Zentrum stehen der Zusammenhang zwischen Kompression und effektiver Wärmeleitfähigkeit sowie der Vergleich zwischen spritzgegossenen und 3D-gedruckten Ausführungen. Konkret geht es um die Vorteile, die sich vor allem beim Prototyping und bei Kleinserien ergeben, da werkzeuggebundene Verfahren hier unwirtschaftlich sind.

Der Abschluss – Wärmemanagement im Gehäuse

Den Tag beschließt Dr. Nicholas Ecke von PlastFormance mit dem Überspritzen elektronischer Baugruppen: Wärmeleitfähige, elektrisch isolierende Kunststoffe sollen die Zwischenschicht klassischer Gap-Pads überflüssig machen – das Bauteil wird direkt umschlossen. Optional lässt sich eine zweite, elektrisch leitfähige Schicht für EMV-Abschirmung ergänzen. Interessant für Entwickler ist hier weniger die reine Wärmeleitfähigkeit als die Kombination aus mechanischem Schutz, thermischer Anbindung und EMV-Funktion in einem Fertigungsschritt. Das ist ein passender Schlusspunkt, der den Bogen vom reinen Kühlkörper- und Materialdenken hin zur Systemintegration schließt.

Ein Fazit

Der Cooling Track kombiniert an zwei Tag Grundlagenwissen (erster Tag), sowie neue Werkstoffansätze, Simulationsmethodik und Messtechnik am zweiten Kongresstag. Damit deckt der Track eine Bandbreite ab, die selten in dieser Kompaktheit an einem Ort zu finden ist. Wer am 29. und 30. September in Würzburg dabei ist, bekommt nicht nur Produkte, sondern auch handfeste Auslegungsregeln und Prüfmethoden, die sich unmittelbar in eigene Projekte übertragen lassen. (heh)

Am ersten Tag gibt es die Grundlagen

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