Der zunehmende Vernetzungs- und Digitalisierungsgrad von Maschinen und Anlagen fordert beständig kleinere Endgeräte bei gleichzeitig wachsender Rechner- aber auch Verlustleistung. Um eine zuverlässige Funktion und lange Lebensdauer der leistungsstarken Elektronik zu sichern, sind daher ebenso kompakte wie effiziente Kühllösungen zur Abführung der Prozessorwärme gefragt. Für die schnelle Abführung der Verlustleistung der Systeme sorgen spezielle CNC-gefertigte Kühlkörper für die aktive oder passive Kühlung. Dazu zählen Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes ebenso wie Kühlkörper mit Kupfer-Inlay und auch kühlende Gehäuselösungen. Dabei werden die Kühlkörper in der Regel direkt am Hotspot montiert, also dort, wo die Wärme-Entwicklung am größten ist. Starke Hitze, die die Leistungsfähigkeit des Systems schwächt, kann so gar nicht erst entstehen.

Heatpipes für eine starke Kühlung

Speziell für Embedded-Systeme und Industrie-PCs bieten sich unter anderem Kühllösungen mit integrierten Heatpipes an. Die flüssigkeitsdurchströmten Rohre steigern die Effizienz des Kühlkörpers deutlich, denn sie leiten die Wärme aus der heißen Bodenplatte in die kälteren Lamellen ab. Weitere Vorteile von Kühlkörpern mit Heatpipes sind neben der besseren Wärme-Abfuhr die komplett Lage-unabhängige Montage dank der Kapillarwirkung der Lamellen, der geringere Wärmewiderstand als bei reinen Metallkühlkörpern sowie der überschaubare Platzbedarf der Kühllösung.

Eine weitere Lösung sind Kühlkörper mit Kupfer-Inlay. Denn Kupfer ist nicht nur ein exzellenter Strom-, sondern auch ein hervorragender Wärmeleiter. Das Metall besitzt mit 395 W/(m•K) die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle und kühlt damit noch besser als das typische Kühlkörpermaterial Aluminium. Diese Eigenschaft macht sich CTX in der Kühlkörpertechnologie insbesondere beim Design von Hochleistungskühlkörpern für die Kühlung von eingebetteten Systemen zunutze. Da Kupfer allerdings mit einer Dichte von 8,92 g/cm³ auch deutlich schwerer ist als Aluminium (2,71 g/cm³), wird das Material in Kühlkörpern häufig mit Aluminium kombiniert. Beispiele hierfür sind Aluminiumkühlkörper mit einem Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot oder Flüssigkeitskühlkörper aus einer Aluminiumplatte mit eingelegten Kupferrohren, durch die die Kühlflüssigkeit strömt. In diesem Fall sitzt das zu kühlende Bauteil direkt auf dem Kühlkörper und sorgt für eine schnelle Ableitung der Wärme.

Kühlende Gehäuse

Ein anderer, jedoch wichtiger Aspekt ist das Gehäuse der Systeme. Denn Elektronik-Komponenten wie Netzteile oder Leiterplatten benötigen Gehäuse, die mehr können, als sie gegen Staub und Berührung zu schützen. 

Um die Funktion des Geräts nicht zu beeinträchtigen, müssen die Gehäuse auch in der Lage sein, die in Form von Wärme auftretende Verlustleistung abzuführen. Bei der effektiven Ableitung der Verlustleistung von Prozessoren oder Netzteilen eines Embedded-Systems spielt das Material der Gehäuse eine große Rolle. CTX bietet deshalb projektspezifische Gehäuse an, die aus besonders wärmeleitfähigen Materialien wie Stahlblech, Aluminium, verzinktem Stahlblech oder Edelstahl bestehen. Ein zusätzlicher Pluspunkt: Sie gewährleisten in der Regel eine gute elektromagnetische Abschirmung, um sowohl die Elektronik vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu schützen, als auch die Umgebung vor Abstrahlungen des Geräts zu sichern. Doch es sind nicht nur Metallgehäuse in Profil- und Stanzbiegetechnik verfügbar, sondern auch technische Aluminiumteile in projektspezifischer Ausführung.

Thermische Simulation

Mittels thermischer Simulation lassen sich Hotspots in Systemen aufspüren und entsprechende Kühllösungen entwickeln.

© CTX Thermal Solutions

Die Auswahl der geeigneten Kühllösung erfolgt auf Basis von Kundendaten in Abstimmung mit dem Kühlkörperproduzenten und anhand einer softwarebasierten thermischen Simulation. Damit kann der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils im Voraus berechnet werden. Hierfür müssen thermodynamische Rahmenbedingungen mit einbezogen werden, wie beispielsweise das Design und die zu erwartende Verlustleistung des jeweiligen Bauelements – etwa des Moduls oder des Chips – mit Bestimmung des Hotspots, an dem die Verlustleistung auftritt. Ebenso fließen die Größe des vorhandenen Bauraums sowie die für einen sicheren Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils als Parameter in die Simulationsberechnungen mit ein. So lassen sich nicht nur Probleme bei der Produktentwicklung frühzeitig erkennen beziehungsweise verhindern, sondern gegebenenfalls auch Kosten und Materialien beim Design des Kühlkörpers einsparen.

Individuelle Lösungen

Die Leiterplatten-Kühllösungen lassen sich mittels Clips, Nieten, Lötstiften oder Schrauben am Bauteil befestigen.

© CTX Thermal Solutions

CTX hat allein für das Wärmemanagement an Leiterplatten hunderte von Kühlkörpermodellen im Sortiment, deren Wärmewiderstände ein Spektrum von 6 bis 72 °C/W abdecken. Dazu zählen gestanzte Finger-, Aufsteck- und Kleinkühlkörper für die Kühlung von Bauteilen, die für die Durchsteckmontage (IMD = Insert Mount Device) konzipiert sind. Sie lassen sich mit Clips, Nieten, Lötstiften oder Schrauben schnell und einfach am elektronischen Bauteil befestigen.

Auch für die anspruchsvolle Kühlung oberflächenmontierter Bauteile (SMD = Surface Mount Device) bietet das Unternehmen Niedrigprofil-Kühlkörper. Die Kühlkörper mit ihren abgespreizten Flügelflächen werden, wie die SMD-Bauteile auch, auf die Leiterplatte aufgelötet oder aufgeschraubt und sorgen dort für indirekte Kühlung. Sie sind wahlweise als Schüttgut oder gegurtet und auf Spule (Tape+Reel) für die automatische Bestückung erhältlich.

CTX offeriert passgenaue Komponenten, die den Bedürfnissen der unterschiedlichen Anwendung gerecht werden sollen. Auf Wunsch bietet das Unternehmen ebenso in Blister verpackte Komplettlösungen aus dem jeweiligen projektspezifischen Kühlkörper und Isolierungen, Montagebolzen sowie Schrauben an. Mit dem breiten Produktspektrum sowie einer umfassenden Beratung entwickelt das Unternehmen maßgeschneiderte Kühlkonzepte, da diese eine lange Lebensdauer und eine optimale Funktion von Embedded-Systemen und IPC dauerhaft gewährleisten können.

Autor:
Thomas Windeck ist im technischen Vertrieb bei CTX Thermal Solutions tätig.