Elektronik kühlen mit Luft und Wasser

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Luftgekühlte Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte

Mittlerweile ist auf der Leiterplatte die Leistungselektronik in solche Größenordnungen vorgedrungen, dass eine forcierte Entwärmung mittels kleinformatiger Lüfteraggregate notwendig sein kann. Für kundenspezifische Ausführungen sind dabei die sogenannten Rippenblech-Kühlkörper („bonded-fin“) eine sehr gute Lösung, da die applikationsspezifischen Belange hinsichtlich der Abmessungen und lufttechnischen Gegebenheiten individuell berücksichtigt werden können. Ein vorhandener Luftstrom kann bei diesen Kühlkörpern einfach mit einbezogen werden. Geometrie, Konturen, Rippenhöhe, Rippendicke, Rippenabstände und Werkstoffe sind frei dimensionierbar.

Für Single-Board- und Embedded-Computer-Anwendungen sowie sonstige wärmetechnisch schwierige Gegebenheiten sind Ausführungen mit Kupferbasisplatte und Reinaluminium-Rippenplatten eine gute Lösung. Die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit (λ) des Kupfers (Cu, λ=380 W/mK) gegenüber Aluminium-Legierungen (AlMgSi λ≥200 W/mK; Al 99,5 λ≥220 W/mK) erbringt innerhalb des Kühlkörpers eine schnellere und bessere Wärmeverteilung und damit niedrigere Temperaturen (Bilder 2 und 3). Allerdings ist auch das höhere spezifische Gewicht des Kupfers zu berücksichtigen (Cu, ρ=8,92 g/cm3; Al, ρ=2,69 g/cm3 ).

Die Alternative: Flüssigkeitskühlung

Als ein geeignetes alternatives Entwärmungskonzept gegenüber Lüfteraggregaten sind Flüssigkeitskühler anzusehen. Hierbei erfolgt die Wärmeableitung direkt am elektronischen Bauteil, welches auf ein flüssigkeitsdurchströmtes Kühlelement aufgesetzt ist. Die Effizienz dieses Konzeptes ist wärmetechnisch überragend und mit das leistungsstärkste eingesetzte System.

Zum Vergleich der Wärmeableitfähigkeit der verschiedenen Systeme hier die Angaben des Wärmedurchgangskoeffizienten in [W/m2 K].

Natürliche Konvektion: Gase ca. 2 bis 25; Flüssigkeiten bis 1000.

Erzwungene Konvektion: Gase ca. 25 bis 250, Flüssigkeiten bis zu 20.000.

Vorteile von Flüssigkeitskühlelementen

Die Verwendung von Flüssigkeitskühlkörpern hat neben der wärmetechnischen Betrachtung weitere Vorteile für den Anwender: es ist eine sehr kompakte Bauweise vor Ort, am zu kühlenden Bauteil möglich. Bie Flüssigkeitskühlkörpern sind Bauart bedingt keine großen Wärmespreizflächen notwendig, da direkt gekühlt wird. Am zu kühlenden Bauteil entstehen kein Lärm und keine Vibrationen, die beim Einsatz von Lüfterkühlern nicht nur störend sind, sondern auch die Gebrauchsdauer beeinflussen.

Ist Luftkühlung also nicht mehr ausreichend, um die anfallende Wärme-Verlustleistung abzuleiten, z.B. bei Hochleistungslasern, IGBTs und weiteren Hochleistungs-Elektronikbauteilen, sind Flüssigkeitskühlelemente sehr gut verwendbar. Neben dem bekannten Konzept der sogenannten „cold plates“ (in eine Aluminiumplatte sind Kupferrohre eingepresst oder eingeklebt) ist ein noch wesentlich effektiveres System vorhanden: Flüssigkeitskühlelemente mit interner dreidimensionaler Struktur. Dadurch wird ein sehr guter Wärmeübergang zwischen Kühlelement und durchströmendem Medium (Flüssigkeit) erzielt. Auf einer dicken, plangefrästen Basisplatte lassen sich die Bauteile frei platzieren, ohne dass Rohrleitungen die Positionierung der Bauteile einschränken.

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