Nur eine effiziente und effektive Kühlung sichert die Funktion der Systeme dauerhaft.

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Immer schön cool bleiben Flexible Kühlkörperkonzepte für Embedded-Plattformen

21.03.2022

Computer On Modules kommen unter anderem für HMI-Systeme, Panel-PCs und IoT-Gateways in industriellen Anwendungen zum Einsatz. Weit verbreitet sind dabei x86- und ARM-basierte SMARC-Module, die durch ihre hohe Leistungsfähigkeit zuverlässig gekühlt werden müssen. Gefragt sind hier durch die breiten Einsatzgebiete kunden- und anwendungsspezifisch designte Kühlkörper und Heatspreader.

SMARC-Module von Avnet Integrated werden in einer Vielzahl von Embedded-Anwendungen verwendet, darunter in HMIs an Ladesäulen für Elektrofahrzeuge oder in Medizingeräten. Weitere Beispiele sind Steuerrechner und Anzeigesysteme in öffentlichen Verkehrsmitteln, IIoT-Gateways, die Heimautomation oder Anwendungen in der industriellen Automatisierungstechnik. Um für jede Applikation innerhalb kurzer Zeit eine genau zugeschnittene Hardwarelösung zu entwickeln, werden zunehmend standardisierte Basiskomponenten genutzt.

Anwendungsvielfalt auf einer Modul-Basis

Vor rund einem Jahr stellte Avnet Integrated seine zweite SimpleFlex-Plattform vor, die sich gut für HMI- und IoT-Anwendungen eignet und mit nur geringfügigen Konfigurationsänderungen schnell an eine Vielzahl anderer Anwendungen angepasst werden kann. Die einsatzbereite SimpleFlex-Plattform MSC SM2S-MB-EP5 ist für den Einsatz mit dem breiten Portfolio von x86- und ARM-basierten SMARC 2.0-Modulen von Avnet Integrated konzipiert, das den gesamten Leistungsbereich von Low Power bis High Performance abdeckt.

Die SMARC 2.0-basierte SimpleFlex-Plattform kann mit Displays und Touchscreens von Avnet Integrated kombiniert werden, um ein komplettes HMI-System aufzubauen. Die SimpleFlex-Plattform MSC SM2S-MB-EP5 lässt sich mit zehn verschiedenen SMARC-Modulen ausstatten und bietet eine hohe Schnittstellenvielfalt sowie Erweiterungsmöglichkeiten für zusätzliche Optionen. Zur einfachen Systemintegration stehen verschiedene Heatspreader und Kühlkörper von CTX Thermal Solutions zur Verfügung. Auch das neue SMARC 2.1 Modul mit Elkhart Lake (SM2S-EL) wird mit den leistungsstarken, zuverlässigen Kühllösungen von CTX bestückt.

Spezifische Kühlkörperdesigns

Kompakt, leistungsstark und möglichst mobil müssen Embedded Systeme sein. Dies ist eine Herausforderung für Entwickler und für die eingesetzten Kühlkörperlösungen. Schließlich müssen auch die Kühlkörper immer kleiner und leistungsstärker werden, um die mit der Prozessorleistung steigende Verlustleistung schnell und zuverlässig abzuführen. Denn nur eine effiziente und effektive Kühlung sichert die Funktion der Systeme dauerhaft. Als erfahrener und kompetenter Spezialist für applikationsspezifische Kühllösungen und Wärmemanagement entwickelt CTX passgenaue Lösungen zur aktiven oder passiven Kühlung von industriellen Computeranwendungen wie Embedded Systemen und IPC. In der Regel wissen die Entwickler aus Erfahrung, welche Art der Kühlung ihre spezielle Applikation benötigt. Wie der Kühlkörper jedoch dimensioniert und designt werden soll, ergibt sich erst im Gespräch mit einem Kühlkörperspezialisten wie CTX und ggf. aus einer thermischen Simulation.

Die Hardware-Spezifikation der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) legt für SMARC-Module eine maximale Leistungsaufnahme von bis zu 15 Watt fest, die entsprechend als Wärmeverlustleistung wieder abgeführt werden müssen. Die unterschiedlichen Module werden mit den Kühlkörpervarianten daraufhin optimiert. Der Standard für Smart Mobility ARChitecture, kurz SMARC, legt auch klare Formfaktoren, Bohrbilder und Abmessungen für die zu verwendenden Kühlkörper und Heatspreader fest.

Auch hier soll den Entwicklern der darauf basierenden Embedded Systeme eine einfache, standardisierte Entwicklungsprozedur und Auftragsvergabe an die Zulieferer ermöglicht werden. Dennoch ist für jedes Projekt kundenspezifisches Engineering gefragt. Da der Leiterplattenaufbau jeder neuen Modulserie natürlich variiert, müssen die Spezialisten von CTX beispielsweise an der Kühlerrückseite genaue Detailanpassungen vornehmen, um Kontaktflächen und Wärmeübergänge von Prozessoren und anderen SMD-Komponenten auf den Kühler zu optimieren.

Entwicklungspartner

Markus Mahl, Product Marketing Manager Boards bei Avnet Integrated, arbeitet seit über zehn Jahren mit CTX zusammen: „CTX bietet neben einem ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnis auch einen exzellenten Service. Durch die inzwischen mehrjährige Zusammenarbeit besteht ein guter, partnerschaftlicher Kontakt zwischen unseren Einkäufern und Entwicklern und den Spezialisten von CTX.“

Für das neue SMARC-Modul SM2S-EL gibt es vier verschiedene Kühlkörpervarianten von CTX. Für manche Module wurden sogar bis zu neun Varianten umgesetzt. Dabei kommt es hauptsächlich auf die Einbausituation im Endgerät an. Wenn das Modul an eine kundenspezifische Kühllösung angebunden wird, beispielsweise ein großer Kühlkörper als Gehäuserückwand, kommt eine Heatspreader-Variante zum Tragen. Ist im Gerät genügend Platz und ein konstanter Luftstrom vorhanden, ist ein sogenannter Pin Block-Kühlkörper sehr gut geeignet. Diese Pin Blocks sind eine Formvariante der CTX-Stiftkühlkörper und haben den Vorteil, dass der Luftstrom nicht zwingend aus einer Richtung kommen muss. Dadurch ist die Einbaulage der Module mit diesem Kühlkörper variabler als mit einem klassischen Finnen- oder Pin Fin Kühlkörper.

Zuverlässige Entwärmung

Die kundenspezifisch designten und gefertigten Rippen- und Stiftkühlkörper von CTX Thermal Solutions aus Nettetal dienen der zuverlässigen Entwärmung von Mikroprozessoren, Embedded-Systemen und LED-Applikationen. Sie werden im Kaltfließpressverfahren aus Reinaluminium Al 99,5/1070 gemäß DIN EN 1050 und 1070 hergestellt. Aufgrund der Rohmaterialeigenschaften und der durch das Herstellungsverfahren bedingten hohen Materialdichte erreichen sie mit über 220 W/mK deutlich bessere Wärmeleitfähigkeiten als vergleichbare Lösungen, die durch Extrusion oder Druckgussverfahren hergestellt werden.

Auf Wunsch können auch Lösungen mit einer Kombination aus Stiften und Rippen bis zu einer Kühlkörperhöhe von 80 mm hergestellt werden. Die flexible Fertigung mit dem Kaltfließpressverfahren ermöglicht runde, quadratische und elliptische Kühlkörper und erlaubt Stiftdurchmesser von einem bis vier Millimetern bei Stiftkühlkörpern und Rippenstärken ab 0,6 mm bei Rippenkühlkörpern. Die Oberflächen können klar oder farbig eloxiert, pulverbeschichtet und chromatiert werden.

Durch die spezielle Stift- beziehungsweise Rippenform sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Luft als bei extrudierten Rippen möglich. Zusätzlich sorgt eine strömungsbegünstigende Anordnung der Kühlstifte bereits bei natürlicher Konvektion für eine optimale Kühlung. Die Kühlleistung der kaltfließgepressten Stift- und Rippenkühlkörper liegt aufgrund ihrer Materialeigenschaften und des besonderen Designs um 30 Prozent über der Leistung gleichdimensionierter Strangpresskühlkörper und um 40 Prozent über der vergleichbarer Druckgusskühlkörper.

Mit diesen Leistungsmerkmalen sind CTX-Kühlkörper für zukünftige Embedded-Projekte mit Partnern wie Avnet Integrated gut aufgestellt. Auch Markus Mahl freut sich auf die weitere Zusammenarbeit: „Aufgrund der angenehmen Zusammenarbeit und der positiven Erfahrungen in der Vergangenheit kontaktieren wir bei neuen Projekten immer CTX, obwohl wir im Bereich Kühllösungen mit mehreren Lieferanten zusammenarbeiten.“

Bildergalerie

  • Die SimpleFlex-Plattform MSC SM2S-MB-EP5 lässt sich mit zehn verschiedenen SMARC-Modulen ausstatten und bietet eine enorme Schnittstellenvielfalt sowie Erweiterungsmöglichkeiten für zusätzliche Optionen.

    Bild: Avnet Integrated

  • Durch die spezielle Stift- bzw. Rippenform der Embedded-Kühlkörper von CTX sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Luft als bei extrudierten Rippen möglich.

    Bild: CTX Thermal Solutions

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