gesponsertKleine Änderungen mit großer Wirkung Elektronik-Miniaturisierung erfordert spezielle Kühllösungen

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CTX Thermal Solutions GmbH

Elektronik wird immer kompakter. Gefragt sind Kühllösungen, die Bauraum ideal nutzen. Maßgefertigte Kühlkörper sparen Platz und Gewicht – bei oft besserer Wärmeabfuhr.

Veränderungen in Fertigungsprozessen benötigen häufig Zeit – das ist in der Elektronikindustrie nicht anders als in anderen Branchen. Ein gutes Beispiel sind Kühllösungen, die Wärme von den Komponenten elektronischer Geräte ableiten. Oft kommen für diese Aufgabe Kühlkörper in Standardgrößen zum Einsatz, die für die Anwendung überdimensioniert sind.

Viele Kühlkörper sind überdimensioniert

Vertriebsleiter Thomas Windeck von CTX Thermal Solutions kennt den Grund: „Da oft ausreichend Platz im Gehäuse vorhanden ist, wird der Größe des Kühlkörpers keine besondere Beachtung geschenkt.“ Das wäre aber sinnvoll, denn die Leistung solch überdimensionierter Kühllösungen kann gar nicht voll genutzt werden. Darüber hinaus wiegen sie in der Regel mehr als passgenaue Ausführungen. Dadurch steigt das Gewicht der Gesamtanwendung – ein weiterer Nachteil.

Es spricht also einiges dafür, die Kühlkörper spezifisch an die jeweilige elektronische Baugruppe anzupassen. CTX hat fast 30 Jahre Erfahrung in der kundenspezifischen Auslegung von Kühlkörpern und ist heute einer der führenden Anbieter von Kühllösungen in Europa. Thomas Windeck macht am Markt ein großes Potenzial für individuelle Kühlkörper aus: „Viele Standardlösungen könnten durch kundenspezifische Lösungen ersetzt werden, die mindestens das Gleiche leisten, aber kleiner und leichter sind.“

Mehr Leistung durch Kühlkonzept

Bei Tests zeigte sich, dass die Betriebstemperatur mit individuell angepassten Kühlkörpern bei gleichem Bauraum um bis zu zehn Grad gesenkt werden kann. Die Spezialisten von CTX definierten den in einer Muster-Anwendung auftretenden Luftstrom sowie die dort vorherrschenden Temperaturen und führten thermische Simulationen durch.

Dabei versuchte man das beste Verhältnis von Bodendicke zu Rippenhöhe und -tiefe herauszufinden. CTX simulierte verschiedene Kühlkörper-Modelle und stellte dabei fest: Der Boden des ursprünglich verwendeten Kühlkörpers war zu dünn, um die gewünschte Kühlung zu erzielen. Durch eine Erhöhung der Bodendicke von 11 auf 14 Millimeter ließ sich die Kühlleistung des Standard-Strangkühlkörpers bereits um rund 1,7 °C steigern.

Deutliche Temperatursenkungen erzielt

An der Anzahl der Rippen nahm CTX ebenfalls Änderungen vor. Mithilfe des Extrusionsverfahrens wurden dünnere Kühlrippen aus Aluminium gefertigt. Auf die Bodenplatte des Muster-Kühlkörpers konnten daher bei gleicher Grundfläche zehn Rippen mehr aufgebracht werden. Die höhere Anzahl an Kühlrippen vergrößert die Oberfläche des Kühlkörpers, über die Wärme abgegeben werden kann. Gegenüber Standardbauteilen lassen sich durch den Einsatz des Extrusionsverfahrens in der Regel bis zu 20 Prozent an Material einsparen.

Durch die höhere Bodendicke und Rippenanzahl konnte CTX eine Temperatursenkung von 3 °C erzielen. Mithilfe der Implementierung von Heatpipes in den Kühlkörper gelang es dann, die Temperatur des elektronischen Bauteils weiter zu senken. Schließlich betrug die gesamte Kühlleistung des optimierten Kühlkörpers rund 10 °C mehr als bei der Ausgangslösung.

Materialeinsparung durch Simulation

Für die Optimierung von Kühlkörpern nutzt CTX u. a. die thermische Simulation. Bei diesem analytischen Prozess wird der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils vorausberechnet. Dazu werden definierte thermodynamische Randbedingungen in die Simulationssoftware eingegeben wie z. B. die zu erwartende Verlustleistung, das Design des Bauelements mit Bemaßung sowie die Position des Hotspots. Dazu kommen geometrische Einschränkungen, d. h. der zur Verfügung stehende Platz sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur.

Besonders bei der Entwicklung eines neuen Produkts ist eine thermische Simulation hilfreich: Sie kann dazu beitragen, thermische Probleme frühzeitig zu erkennen. Ein optimales Kühlkörperdesign ermöglicht zudem die Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht in großem Umfang. Und noch einen großen Vorteil hat die thermische Simulation: Sie macht die kostspielige Prototypenfertigung in der Regel überflüssig bzw. reduziert den Aufwand dafür deutlich.

Verschiedene Materialien und Verfahren

Der stetig kleiner werdende Bauraum in der Elektronik wirkt sich auch auf das Kühlkörperdesign aus. Um auf weniger Fläche eine gleichbleibende oder sogar höhere Kühlleistung zu erzielen, setzen die Experten von CTX verschiedene Materialien ein. Jeder Werkstoff hat bestimmte Vor- und Nachteile, die gegeneinander abgewogen werden müssen. So verfügt Kupfer mit bis zu 400 W/mK über eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium mit bis zu 235 W/mK, ist aber wesentlich teurer und schwerer. Daher wird dieses Material meist gezielt eingesetzt – zum Beispiel als Beschichtung, Bodenplatte oder Kern eines Aluminiumkühlkörpers.

Für die Kühlung von LEDs auf engstem Raum werden kaltfließgepresste Stiftkühlkörper aus Reinaluminium oder Reinkupfer verwendet. Diese Kühlkörper lassen sich hochpräzise formen und bieten eine exzellente Wärmeleitfähigkeit (> 220 W/mK). Mit der passenden Oberflächenbehandlung kann die Wärmeleitfähigkeit eines Kühlkörpers weiter verbessert werden: Mit einer nachträglichen CNC-Bearbeitung werden die Oberflächeneigenschaften und der Wärmeübergang verbessert.

Wichtig: Anwendungsspezifische Fertigung

Bei der Entwicklung von Kühllösungen ergeben sich große Herausforderungen, da elektronische Komponenten auf immer kleinerem Raum zunehmend mehr Leistung erzeugen und somit höhere Betriebstemperaturen entstehen. In den letzten 10 bis 15 Jahren ist die Menge der abzuführenden Wärme je nach Geräteart um etwa 100 bis 150 Prozent gestiegen, was die Anforderungen an das Wärmemanagement deutlich erhöht.

Wenn die entstehende Wärme nicht effektiv abgeführt wird, kann dies die Lebensdauer der elektronischen Bauteile beeinträchtigen. Kühlkörper sind deshalb ein wesentlicher Bestandteil, um die Funktion und Zuverlässigkeit miniaturisierter Komponenten langfristig sicherzustellen.

Um mit der Miniaturisierung Schritt halten zu können, findet im Bereich des Kühlkörperdesigns intensive Forschung statt. „Zurzeit laufen Tests mit Keramik sowie mit neuen Plattierungen und Beschichtungen“, berichtet CTX-Vertriebsleiter Thomas Windeck.

Schon heute lässt sich absehen, dass die fortschreitende Miniaturisierung dazu führen wird, dass das applikationsspezifische Design von Kühlkörpern zunehmend wichtiger wird, um die damit verbundenen thermischen Herausforderungen zu bewältigen.

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