FISCHER ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Bild: Fischer Elektronik; iStock, Smitt

Elektronik entwärmen Kühler Schutz

16.05.2018

Elektronik wird immer leistungsstärker und gleichzeitig auch kleiner. Dadurch steigt die abgegebene Wärme. Gehäuse müssen deshalb die verbaute Elektronik nicht mehr nur vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und Staub schützen, sondern auch für ihre Entwärmung sorgen. Wärmeableitgehäuse sind dafür die richtige Wahl.

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Gehäuse sind nicht mehr nur für den mechanischen Schutz der Elektronik zuständig. Neben dem IP-Schutz und der elektromagnetischen Verträglichkeit müssen sie außerdem für den thermischen Ausgleich der Elektronik sorgen. Das klingt einfacher, als es in vielen Fällen ist. Durch die Miniaturisierung der Elektronik nimmt die Leistungsdichte auf der Platine stetig zu. In Folge dessen konzentriert sich die in Wärme umgewandelte Verlustleistung auf eine immer kleiner werdende Fläche. Nur durch ein fachgerechtes Wärmemanagement lassen sich Fehlfunktionen und Totalausfälle vermeiden. Hierzu bieten die Gehäusehersteller speziell für diesen Zweck entwickelte Wärmeableitgehäuse an. Nicht jedes dieser Gehäuse eignet sich allerdings für alle Anwendungen. Die Wahl und Auslegung des richtigen Gehäuses bedarf deshalb Sorgfalt und Erfahrung.

Der Wärmeleitwert macht es möglich

Aluminium ist besonders gut für den Gehäusebau geeignet, weil es sich mechanisch sehr gut verarbeiten lässt und zudem gute thermische Eigenschaften aufweist. Der Wärmeleitwert von Aluminium liegt ungefähr bei 220 W(m/K). Individuelle Wärmeableitgehäuse aus Aluminium können mittels zweier unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Beim Strangpressverfahren wird ein Block, ein sogenannter Pressling, durch eine Matrize gedrückt und bekommt dadurch die gewünschte Form. Nahezu jede beliebige, zweidimensionale Kontur lässt sich so als 50 m langes Profil abbilden und später zu Gehäusen weiterverarbeiten.

Die Alternative zum Strangpressen ist das Aludruckgussverfahren. Bei diesem wird geschmolzenes Aluminium in eine vorgefertigte Form oder ein Werkzeug gepresst. Wie beim Kunststoffspritzen bestimmt das Werkzeug die Form des Gehäuses. Beide Verfahren sind zur Herstellung von Gehäusen geeignet, haben jedoch ihre Vor- und Nachteile. Durch die hohen Werkzeugkosten lohnt sich ein nach Kundenwunsch gefertigtes Druckgehäuse ab mehreren tausend Stück. Werkzeuge für Strangpressprofile sind dagegen günstiger. Aus Strangpress-
profilen lassen sich Gehäuse in beliebiger Länge herstellen. Beim Aludruckgussgehäuse ist die Form fest und nur durch eine Werkzeuganpassung veränderbar.

Bei der Auswahl und der Auslegung eines Wärmeableitgehäuses ist es besonders wichtig, ein für die Applikation geeignetes Design auszuwählen. Dabei sollten Gehäuse mit ausreichenden Kühlreserven gewählt werden, um später keine böse Überraschung zu erleben. Entscheidend dafür ist es, den Gesamtwärmewiderstand zu kennen. Der Wärmewiderstand, auch Rth-Wert genannt, wird in Kelvin pro Watt (K/W) angegeben. Er zeigt, wie viel Kelvin Temperaturdifferenz nötig sind, um 1 W Leistung abzuführen. Um den Rth-Wert grob zu überschlagen, reicht die Faustformel:

Für eine detaillierte Berechnung müssen alle Wärmewiderstände in der Wärmekette ermittelt und berücksichtigt werden. Hierzu zählen unter anderem die Wärmewiderstände des Gehäuses, des Halbleitergehäuses und der Wärmeleitmaterialien. Nachdem der für die Applikation benötigte Rth-Wert bestimmt wurde, lässt sich anhand des Wärmediagramms prüfen, ob das Gehäuse thermisch wirklich für die Applikation geeignet ist. Je kleiner der Wert des Wärmewiderstands ist, desto mehr Wärme kann abgeführt werden. Der Wert des Gehäuses muss somit kleiner sein als der errechnete benötigte Wärmewiderstand.

Passive Kühlung: leise und wartungsfrei

Für die Lösung der thermischen Probleme muss zunächst bestimmt werden, welche Art der Entwärmung in Frage kommt. Hierbei spielt der zukünftige Einsatzort eine wichtige Rolle. Bei Embedded-PCs, die zum Beispiel unter rauen Bedingungen arbeiten müssen, sind geschlossene Gehäuse die bessere Wahl. Dadurch wird die Gefahr von Systemausfällen, verursacht von Staub oder Wassereintritt ins Gehäuse, minimiert. Geschlossene Systeme verfügen über feste Kühlkörper, die für die Entwärmung der Elektronik zuständig sind. In so einem Fall spricht man von einer natürlichen beziehungsweise passiven Kühlung oder Konvektion. Bei einer passiven Kühlung sind keine aktiven Teile, wie Lüfter, an der Entwärmung beteiligt. Stattdessen wird sie mittels eines in die Gehäusekontur integrierten Kühlkörpers erreicht. Über die Oberflächenvergrößerung an den Kühlrippen gelangt die Wärme an die Umgebungsluft. Passiv gekühlte Systeme sind durch die fehlenden Lüfter leise und wartungsfrei. Es werden keine Gehäuseöffnungen für die Luftzirkulation benötigt, woraus sich eine höhere IP-Schutzklasse ergibt.

Forcierte Kühlung: höhere Leistung, geringerer Schutz

Ist die passive Kühlung nicht ausreichend, muss auf eine forcierte aktive Kühlung ausgewichen werden. Dafür werden Lüftermotoren in Kombination mit Kühlkörpern eingesetzt. Die Lüfter dienen dazu, das Gehäuse mit frischer Luft zu versorgen. Der im Gehäuse eingesetzte Kühlkörper gibt die Wärme an den erzeugten Luftstrom ab. Ein Luftstrom vervielfacht die Kühlleistung eines Kühlkörpers. Größere Mengen Wärme lassen sich so über die Kühlrippengeometrie ableiten. Lüfter haben den Nachteil, dass sie sich bei staubiger Umgebung zusetzen können. Deshalb sollten Entwickler eine Drehzahl- und Temperaturüberwachung der Elektronik unbedingt mit einplanen. Durch den fehlenden Wasserschutz an den Lüftungsöffnungen des Gehäuses ist nur eine niedrige Gehäuseschutzklasse erreichbar.

Kontaktierung der Wärmequelle als Schwierigkeit

Ist das Gehäuse ausgewählt, folgt die nächste Herausforderung: die Kontaktierung der Wärmequelle zum Gehäuse hin. Für diese Herausforderung gibt es keine pauschale Lösung. Jedes System ist anders und deshalb muss jedes System individuell betrachtet werden. Das A und O ist, die Wärme möglichst schnell von der Entstehungsquelle abzugreifen und auf dem direkten Weg an den Kühlkörper weiterzuleiten.

Manchmal erlaubt das Platinenlayout eine direkte Kontaktierung zum Kühlkörper. Auch bei solch einer einfach erscheinenden Situation müssen einige Punkte beachtet werden. Hierzu zählt, dass die zu kontaktierenden Flächen eben und sauber sein müssen. Trotz planer Fläche sind Wärmeleitfolien oder Pasten zu verwenden, um Lufteinschlüsse auszuschließen und den Wärmeübergangswiderstand zu verringern. Bei verhältnismäßig großer Verlustleistung zu einer kleinen Fläche bedarf es einer Wärmespreizung mittels einer Kupferplatte. Kupfer hat einen fast doppelt so hohen Wärmeleitwert wie Aluminium und eignet sich deshalb besonders gut für eine schnelle Wärmespreizung. Bei größeren Distanzen zwischen Wärmequelle und Kühlkörper kommen als Wärmebrücken Aluminium- oder Kupferblöcke zum Einsatz. Bei aufwändigeren Geometrien und großer Verlustleistung setzt man Wärmeleitrohre, sogenannte Heatpipes, ein. Wärmeleitrohre sind spezielle Wärmeleiter, die bei richtiger Einbauweise Wärme an kritischen Stellen aufnehmen und um ein Vielfaches schneller als zum Beispiel ein Kupferrohr weiterleiten.

Thermische Simulation als Dienstleistung

Eine computergestützte Wärmesimulation erlaubt dem Entwickler, bereits in der Prototypenphase Erkenntnisse über das passende Entwärmungskonzept zu gewinnen. Unter realitätsnahen Bedingungen werden mittels 3D-Daten Baugruppen simuliert und analysiert. Dadurch lassen sich nicht vorhersehbare thermische Konflikte frühzeitig erkennen. Dadurch ersparen sich Entwickler nachträgliche kostenintensive Korrekturmaßnahmen. Thermische Simulationen werden von gut aufgestellten Gehäusebauern als Dienstleistung angeboten.

Wenn es weiterhin nach dem Mooreschen Gesetz geht, wird sich die Komplexität der integrierten Schaltung jährlich verdoppeln. Das bedeutet, die Leistung konzentriert sich auf eine immer kleiner werdende Fläche. Der Aufwand für die Kühlung dieser Komponenten wird größer und vor allem komplexer. Es kommt deshalb auf durchdachte und auf Erfahrung basierende Kühlkonzepte an. Gehäuse- und Kühlkörperhersteller bieten dafür professionelle Hilfe. Durch die vielen von ihnen betreuten Projekte verfügen sie über die nötige Erfahrung und das Wissen, um ein fachgerechtes Kühlkonzept zu erstellen.

Bildergalerie

  • Wärmeableitgehäuse gibt es in unzähligen Varianten und Formen. Spezielle Anforderungen können durch individuell angepasste Versionen erfüllt werden.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Gehäusehersteller bieten in vielen Fällen thermische Simulationen der Elektronik als Dienstleistung an.

    Bild: Fischer Elektronik

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