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Welcher Kühlkörper für welchen Einsatz? So klappt es mit der Entwärmung

17.02.2016

Hochleistungselektronik kommt ohne Kühlung nicht aus. Doch welcher Kühlkörper ist für welchen Einsatz der richtige? Und worauf ist bei der Suche nach einer geeigneten Kühllösung zu achten? Befolgt man diese Tipps, kann bei der Auswahl nichts mehr schiefgehen.

Auf die Größe kommt es an

Elektronische Geräte werden nicht nur immer leistungsfähiger, sondern auch immer kompakter und leichter. Damit dürfen auch Kühlkörper immer weniger Platz beanspruchen. Bei der Konzeption der jeweiligen Kühllösung müssen daher bereits zu Beginn der zur Verfügung stehende Platz, das maximal zulässige Gewicht und das Volumen bekannt sein. Je kleiner der Bauraum desto bedeutender sind Größen wie die kühlende Oberfläche und die Wärmeleitungseigenschaften des Kühlkörpers. Nachträgliche Änderungen sind in jedem Fall zeit- und kostenintensiv.

Passiv, aktiv oder flüssigkeitsgekühlt?

Grundsätzlich gilt: Kühllösungen, die auf natürlicher Konvektion basieren, sind
weniger störanfällig und kostengünstiger als andere Modelle. Reichen sie jedoch aufgrund der Höhe der anfallenden Verlustleistungen nicht aus, muss man auf eine lüftergestützte Lösung zurückgreifen. Häufig ist die Wärmeentwicklung jedoch so hoch, dass nur Flüssigkeitskühlkörper in der Lage sind, die betroffene Hochleistungselektronik effizient zu kühlen.

Wie wichtig ist das Kühlkörper-Design?

Die gewählte Kühltechnologie wirkt sich direkt auf das Design aus: Im Fall der natürlichen Konvektion sollte der Kühlkörper über eine möglichst große Oberfläche verfügen. Zudem sollten die Kühlrippen oder -stifte nicht zu eng stehen, damit die Wärme optimal abgegeben werden kann und sich die Rippen nicht gegenseitig an der Abstrahlung hindern. Bei lüftergestützten Lösungen darf der Rippenabstand in Abhängigkeit von der Lüfterleistung deutlich geringer sein. Auch die Stärke der Bodenplatte des Kühlkörpers ist entscheidend für die Wärmeverteilung. Fazit: Je nach Applikation und Einbaubedingung des zu kühlenden Halbleiters sollte man unter Berücksichtigung des ermittelten Wärmewiderstandes und der Bauteilgröße beim Kühlkörperauswahlprozess stets auf das richtige Verhältnis zwischen Kühlkörperbreite und -länge, Bodenstärke, Rippenhöhe, -stärke, -anzahl und -abstand achten.

Die Herstellungsart beeinflusst die Kühlwirkung

Nicht nur die Geometrie eines Kühlkörpers entscheidet über seine Kühlleistung. Ob es sich bei dem Kühlkörper um ein Aluminiumstrangpressprofil, ein Druckguss-, Blechbiege- oder spanend bearbeitetes Teil handelt, wirkt sich ebenfalls auf die Wirkung aus. Die jeweils veränderten Materialeigenschaften sollte man daher bei der Entwicklung eines geeigneten Kühlkörpers berücksichtigen.

Simulieren Sie den Kühlprozess!

Wenn ein Standardkühlkörper nicht in Frage kommt und Sie eine ganz neue Kühllösung benötigen, bei der Sie nicht auf Erfahrungswerte zurückgreifen können, dann nutzen Sie die Möglichkeit der thermischen Simulation. Auf Basis der technischen Details der eingesetzten Halbleiter, deren geometrische Einbauverhältnisse sowie die für den Betrieb maximal zulässige Temperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur kann man die Wirkung jeder Kühllösung vorausberechnen. Damit lässt sich das Kühlkörperdesign hinsichtlich Materialart und -verbrauch, Kühlkörpergewicht und Art der Kühlung (passiv, aktiv, Flüssigkeit) anpassen. Auf diese Weise lassen sich während der Entwicklungsphase eines Gerätes mehrere Prototypen- und Versuchsdurchläufe einsparen und thermische Probleme frühzeitig erkennen.

Achten Sie auf jeden Mikrometer!

Je präziser die Bodenplatte des Kühlkörpers gearbeitet ist und damit an dem zu kühlenden elektronischen Bauteil anliegt, desto höher ist der Wärmekontakt und umso besser wird die Verlustleistung abgeführt. Ein preiswerter Kühlkörper mit höheren Toleranzen und geringeren Qualitäten bei Rauigkeit und Ebenheit kann daher schnell sehr kostspielig werden, weil er gegebenenfalls eine aufwändige Nachbearbeitung benötigt.

Berücksichtigen Sie die Betriebsbedingungen der Applikation

Bei der Auswahl des richtigen Kühlkörpers gilt es auch, die Bedingungen zu berücksichtigen, unter denen die
Applikation später betrieben wird. So spielt nicht nur die Umgebungstemperatur eine maßgebliche Rolle, sondern beispielsweise auch die Höhe bzw. der Luftdruck, bei dem das Gerät betrieben wird. Denn die Leistung eines Kühlkörpers sinkt mit steigender Umgebungstemperatur als auch mit abnehmendem Luftdruck.

Welches Material ist das richtige?

Hochwertige Aluminiumlegierungen und Reinaluminium zeichnen sich nicht nur durch gute Wärmeleitfähigkeit, sondern auch durch ein relativ geringes spezifisches Gewicht sowie eine hohe Festigkeit bei sehr guter Zerspanbarkeit aus. Damit erhält das Kühlprofil zusätzliche funktionelle Eigenschaften. Wenn das Gewicht des Kühlkörpers zugunsten der höheren Wärmeleitfähigkeit höher sein darf, findet Kupfer Verwendung, häufig in Kombination mit Aluminium. Speziell in Flüssigkeitskühlkörpern werden Kupferrohre in Aluminiumplatten versenkt, wodurch sich ein Optimum aus hoher Wärmeleitfähigkeit und vergleichsweise geringem Gewicht erreichen lässt. Auch der Einsatz von formschlüssig mit dem Kühlkörper verbundenen Kontaktoberflächen aus Kupfer zur Wärmespreizung steigert die Effizienz des Kühlkörpers.

Die Einbaulage beeinflusst die Kühlwirkung

Setzt man natürliche Konvektion (passive Kühlung) ein, nutzt man das Prinzip des Kamineffektes. Das heißt, die warme Luft muss ausgehend von der vertikalen Bodenfläche ungehindert nach oben steigen können. Andernfalls ist mit Einbußen bei der Kühlleistung zu rechnen. Ist eine weniger optimale Einbaulage unvermeidbar, muss sie in der thermischen Kalkulation entsprechend berücksichtigt werden.

Standard oder maßgefertigt?

Bei der Kühlung von Halbleiterbauelementen auf Leiterplatten, die für Applikationen gedacht sind, die nur in kleineren oder/und mittleren Stückzahlen gefertigt werden, bieten sich Standardlösungen an. Hier ist es oft auch wirtschaftlich nicht sinnvoll, spezielle Kühlkörper zu entwerfen. Lassen sich die entstehenden Verlustleistungen jedoch nicht mit Standardkühlkörpern beherrschen, ist eine passgenaue Kühllösung unumgänglich. Auch bei hohen Stückzahlen kann es thermisch wie wirtschaftlich sinnvoll sein, eine optimierte Lösung zu entwickeln.

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