Wärmeübertragung in elektronischen Systemen Warum der Elektronikentwickler die Wärmewege kennen sollte

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Das effektive Wärmemanagement in elektronischen Systemen wird immer wichtiger. Für die thermische Optimierung muss der Entwickler jedoch die drei Wärmewege innerhalb eines Systems verstehen.

In der modernen Elektronikentwicklung spielt das Management von Wärme eine entscheidende Rolle. Mit der zunehmenden Miniaturisierung und der steigenden Leistungsdichte von elektronischen Bauteilen wird das Verständnis der Wärmewege und deren effiziente Nutzung immer wichtiger. In diesem Artikel werden wir die Grundlagen der Wärmeübertragung in elektronischen Systemen beleuchten und Strategien zur Optimierung des Wärmemanagements vorstellen.

Wärmeübertragung ist ein grundlegendes Konzept in der Thermodynamik und spielt eine wesentliche Rolle in vielen Bereichen der Natur und Technik. Sie beschreibt den Prozess, bei dem Wärmeenergie von einem wärmeren zu einem kälteren Objekt „fließt“. Dieser Vorgang kann auf drei Arten erfolgen: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Jede dieser Übertragungsarten basiert auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien und findet in verschiedenen Anwendungen Verwendung.

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Um Wärme effektiv zu managen, ist es wichtig, die Wärmewege innerhalb eines elektronischen Systems zuerst einmal grundlegend zu verstehen.

Die drei Wärmewege: Konduktion, Konvektion und Strahlung

Wärmeleitung ist der Prozess, bei dem Wärmeenergie durch ein Material von einem Bereich höherer Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur übertragen wird. Dieser Wärmeweg wird auch als Konduktion bezeichnet. Die Wärmeleitung erfolgt durch die Wechselwirkung von Atomen und Molekülen im Material. Wenn ein Teil des Materials erhitzt wird, bewegen sich die Teilchen schneller und übertragen ihre Energie an benachbarte, kühlere Teilchen.

Sehr wirksam tritt diese Art der Wärmeübertragung hauptsächlich in „sehr festen“ Stoffen auf, da die Moleküle hier dichter gepackt sind und so leichter miteinander kollidieren können. Ein klassisches Beispiel für Wärmeleitung ist das Erhitzen eines Metallstabes: Wenn ein Ende des Stabes erhitzt wird, breiten sich die Wärmeschwingungen von Molekül zu Molekül bis zum kälteren Ende aus.

Die Effizienz der Wärmeleitung hängt von den Eigenschaften des Materials ab. Metalle sind beispielsweise gute Wärmeleiter, weil ihre Elektronen frei beweglich sind, was die Energieübertragung erleichtert. Isolatoren wie Holz oder Gummi hingegen leiten Wärme schlecht, da sie aufgrund ihrer Struktur keine freien Elektronen besitzen und so die Energieübertragung gehemmt wird.

An der Oberfläche eines Feststoffs, welcher an ein Fluid wie zum Beispiel Luft grenzt, sind 2 weitere Wärmewege zu beobachten, die Konvektion und die Wärmestrahlung.

Bei der Konvektion unterscheidet man zwei unterschiedliche Formen, welche in Elektronikgeräten aber zeitgleich auftreten können.

Die freie Konvektion ist ein physikalischer Prozess, welcher ohne aktiven Antrieb (wie zum Beispiel durch einen Axiallüfter) Wärme von einer Oberfläche aufnimmt und entgegen der Schwerkraft abtransportiert. Dabei bestimmen der Temperaturunterschied der Oberfläche und des Fluids sowie eventuelle Hindernisse (Druckwiderstand) die Transportgeschwindigkeit.

Bei der erzwungenen Konvektion liegt immer ein zusätzlicher Antrieb vor, welcher das Fluid über den natürlichen Antrieb hinaus beschleunigt. Dies kann durch einen Lüfter, einen Blower oder eine Pumpe oder einem Outdoor-Windprofil geschehen. Sollte der erwärmte Gegenstand sich selbst fortbewegen, zählt man die Kühlung durch den Fahrtwind auch zur erzwungenen Konvektion.

Effizienz der konvektiven Kühlung

Um die Effizienz der konvektiven Kühlung zu maximieren, ist es essentiell, die Oberfläche für den Wärmeübergang zu vergrößern, ohne dabei den Luftstrom signifikant zu behindern.

Wichtig ist hier noch den Wärmeübergangskoeffizienten zu erwähnen. Schließlich beschreibt der Wärmeübergangskoeffizient (auch Wärmeübergangsbeiwert oder Wärmeübergangskoeffizient α genannt), wie effizient Wärme zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit oder einem Gas (wie Luft oder Wasser) übertragen wird. Er ist eine wichtige Größe in der Wärmeübertragungstechnik und wird meist in Watt pro Quadratmeter und Kelvin (W/m²K) angegeben.

Der dritte Wärmeweg ist die Wärmestrahlung. Dabei handelt es sich um die Übertragung von Wärmeenergie durch elektromagnetische Wellen, insbesondere durch Infrarotstrahlung. Im Gegensatz zur Konvektion oder Wärmeleitung benötigt die Wärmestrahlung kein Medium (wie Luft oder Wasser) zur Wärmeübertragung und kann daher auch im Vakuum stattfinden. Alle Körper, die eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt haben, strahlen Wärme in Form von Infrarotstrahlung ab.

Elektronische Bauteile geben Wärme ab, indem sie Infrarotstrahlung aussenden. Diese Strahlung kann von benachbarten Bauteilen oder der Umgebung (z. B. Kühlkörper, Gehäuse) absorbiert und dann weiter abgeleitet werden. Wie viel die Wärmestrahlung zur Kühlung beiträgt, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Neben dem Abstand und dem Winkel zwischen den Strahlungspartnern sowie dem Temperaturunterschied spielt die Oberflächenbeschaffenheit eine Rolle.

Da wir uns im infraroten Wellenlängenbereich bewegen, hat die Farbe der Oberfläche keinen Einfluss. Eine spiegelnde metallische Oberfläche kann kaum Wärme abstrahlen, während eine rohe, leicht oxidierte Metalloberfläche mit einer Emissivität von 0,2 (dimensionslose Zahl zur Beschreibung der Oberflächenbeschaffenheit auf einer Skala von 0 bis 1) merklich am Strahlungsaustausch teilnehmen kann. Eine lackierte oder pulverbeschichtete Oberfläche strahlt Wärme im Vergleich zur leicht oxidierten blanken Metalloberfläche etwa viermal stärker ab.

Um die Übersicht zu vervollständigen, sollte auch die Wärmestrahlung im sichtbaren Lichtspektrum erwähnt werden. Diese spielt eine bedeutende Rolle für alle Outdoor-Geräte. Da die Sonnenstrahlung, abgeschwächt durch die Atmosphäre und durch den Winkel zur Erdoberfläche, eine zusätzliche Wärmebelastung darstellen kann, sollte Outdoor-Equipment immer in hellen Farben lackiert oder pulverbeschichtet werden. Abhängig von der Größe des Objekts und dessen Oberfläche (zum Beispiel eine Ladesäule für E-Mobilität) kann die Wahl der falschen Farbe die Gerätetemperatur um etwa 10 bis 15 K erhöhen.

Die physikalischen Wirkgrößen in ein Elektronik-Design übertragen

Basierend auf den typischen Wärmequellen wie Elektronikkomponenten mit ihren Schaltverlusten, induktiven Wärmequellen bei Wickelgütern oder der Wärmelast durch hohe Ströme in Kupferschienen oder Leiterbahnen, ist es von entscheidender Bedeutung, eine adäquate Lösung für das Wärmemanagement zu finden.

Ist das Layout einer Platine einmal festgelegt und bereits in einem finalen Konstruktionsmodell integriert, kann ein Geräteausfall aufgrund thermischer Überlastungen nur mit erheblichen Kosten korrigiert werden. Daher ist es essenziell, bereits in der Konzeptphase einige grundlegende Aspekte des zukünftigen Wärmemanagements zu berücksichtigen.

Bereits bei der Planung der Platine, der Funktionsgruppen und den ausgewählten Elektronikkomponenten sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden: Gibt es alternative Elektronikkomponenten, die weniger Wärmeverluste erzeugen? Stehen Elektronikkomponenten mit optimierten Wärmewegen und Anbindungsflächen zur Verfügung? Ist der spätere Luftstrom im Gerät bekannt und können größere Elektronikkomponenten zur Luftführung beitragen? Werden möglicherweise wärmeempfindliche Komponenten durch große Kondensatoren, Transformatoren oder Stecker von der Kühlluft abgeschirmt? Sollten starke Hotspots von empfindlichen Komponenten auf der PCB räumlich getrennt werden?

Weitere Überlegungen betreffen die Leiterplatte: Wie kann die Wärmeaufnahme und -verteilung über die Leiterplatte optimiert werden? Der Entwickler kann dickere Signallagen und CU-Inlays nutzen, ungenutzte Bereiche in der Signallage mit Kupfer auffüllen, thermische Vias oder Schraubpunkte als Brücke zu dickeren Innenlagen oder zu Kühlkörpern auf der gegenüberliegenden PCB-Seite verwenden oder eine Pfadkombination „Via->Innenlage->Via->Wedge Lock Klemmung an Metallgehäuse" nutzen.

Gedanken sollte man sich zudem über folgende Aspekte machen: Ist mein Produkt als Wegwerfprodukt konzipiert oder sollte es wartungsfreundlich sein (Geräteverguss zur Wärmespreizung?) Gibt es Platz für einen Kühlkörper und kann kühlere Zuluft in die Rippenräume geleitet werden? Sind hierbei kritische Gewichtsvorgaben zu beachten?

In welcher Orientierung wird die Leiterplatine montiert und stehen eventuell empfindliche Komponenten „über“ starken Heizern? Könnte eine Heatpipe bei vorgesehener Gravitationsrichtung noch effizient arbeiten? Ist der Einsatz eines Lüfters geplant? Wo soll der Lüfter verbaut werden (saugend oder blasend)? Welcher Volumenstrom sollte der Lüfter gegen den Systemdruck erzeugen können, um eine anvisierte Wärmemenge abtransportieren zu können? Ist ein Luftgitter oder Filter erforderlich, der die Luftmenge zusätzlich einschränkt?

Last but not least stellt sich die Frage, wie soll das Gehäuse ausgeführt sein: Darf das Gehäuse aus Metall oder Kunststoff sein? Gibt es Fremdwärmequellen im späteren Einsatzort?

Während des Entwicklungszyklus stehen zunehmend detailliertere Informationen zur Verfügung, um die Effizienz der Wärmeabfuhr zu optimieren. Hierfür bieten sich 3D-Simulationswerkzeuge wie CelsiusEC von Cadence an. Diese ermöglichen es, bereits in der Konzeptphase mit wenigen Eingabedaten physikalisch präzise Modelle von Leiterplatten, Komponenten und Gerätestrukturen zu erstellen und alle drei Mechanismen der Wärmeübertragung sichtbar zu machen.

Alpha-Numerics bietet ein umfassendes Ausbildungsprogramm für Ingenieure, die in diesem Entwicklungsbereich tätig sind. Dabei werden die wissenschaftlichen Grundlagen praxisnah vermittelt und direkt angewendet. (kr)

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* Tobias Best ist Inhaber und Geschäftsführer der Alpha-Numerics GmbH.

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