Tipps zur Wahl des passenden Kühlkörpers

CTX Thermal Solutions bietet maßgeschneiderte Kühlkörper für viele unterschiedliche
Anwendungen.
Anwendungen.
Anwendungen. CTX

Physikalisch bedingt und nicht vermeidbar – die Wärmeentwicklung bei elektronischen Bauteilen stellt Konstrukteure und Anlagenbauer immer wieder vor Herausforderungen. Die thermische Belastung bestimmt Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Halbleiterbauteil, und weil diese Komponenten selbst Wärme entwickeln, sind sie dieser Wärme auch selbst ausgesetzt: Ist die maximale Betriebstemperatur erst einmal überschritten, sind Fehlfunktionen die Folge. Die Leistungsdichte elektronischer Bauteile jüngster Generation macht das thermische Management jedoch immer wieder zu einem Stolperstein. Warum das so ist, erklärt Wilfried Schmitz, Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions: „Mehr mikroelektronische Bauelemente pro Fläche ziehen größere Leistungsdichten und damit höhere Verlustleistungen nach sich. Der Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts kommt bei der Entwicklung neuer Technologien und Geräte folglich eine immense Bedeutung zu“. Die Lösung sieht Wilfried Schmitz in leistungsstarken Kühlkonzepten, die „passgenau auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt“ sind.

Kühlen für jeden Anwendungsfall

„CTX Thermal Solutions bietet neben einem breit gefächerten Kühlkörpersortiment sofort lieferbarer Standardausführungen auch zugeschnittene CNC-Maßanfertigungen“, führt Wilfried Schmitz weiter aus. Das auf  Elektronikkühlung spezialisierte Unternehmen aus dem nordrhein-westfälischen Nettetal vertreibt Kühlelemente für die Bereiche Automobil-, Haushalts- und Unterhaltungselektronik, und „einige Mitarbeiter besitzen mehr als 25 Jahre Erfahrung auf diesem Gebiet“, hebt Schmitz hervor. Hinzu kommen Hochleistungskühlkörper für industrielle Netzteile und Computer aber auch spezielle Lösungen für den Bereich der regenerativen Energien sowie für Haus- und LED-Technik. Das Produktspektrum reicht von wenige Millimeter großen Kühlkörpern für SMD-Bauelemente bis zu 200 kg schweren Flüssigkeitskühlkörpern, wie sie für Wechselrichter in Eisenbahnen typisch sind. Ebenso bietet CTX auf die Kühlkörper abgestimmte Lüfter und Gehäuse an, um die Elektronikkomponenten in den verschiedenen Branchen zu schützen.

PCB-Kühlkörper zur Leiterplattenkühlung sind in Form von löt-, clip- oder schraubbaren
Finger-, Aufsteck- oder Kleinkühlkörpern verfügbar.
Finger-, Aufsteck- oder Kleinkühlkörpern verfügbar.
Finger-, Aufsteck- oder Kleinkühlkörpern verfügbar. CTX

Freie Konvektion oder erzwungene Kühlung?

Welcher Kühlkörper zu welcher Anwendung passt, hängt in erster Linie von den Einbauverhältnissen sowie der Verlustleistung des zu kühlenden Bauteils ab. Zur Wahl stehen passive und aktive Kühlsysteme. Wilfried Schmitz erläutert das Prinzip: „Ein passiver Kühlkörper führt die Wärme vorrangig durch Konvektion ab. Die erwärmte Umgebungsluft steigt auf und lässt kühlere Luft nachströmen.“ Entscheidend dafür sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials, eine große Oberfläche und ein ausreichend großer Abstand zwischen den Kühlrippen des Kühlelements. „Wann immer Bauraum und Verlustleistung es erlauben, sollte aus Gründen der Langzeitzuverlässigkeit sowie Kosten die Wahl auf eine passive und damit lautlose Kühllösung fallen“, rät Wilfried Schmitz.

Das CTX-Produktportfolio in diesem Bereich umfasst mehrere Modelle in vielen unterschiedlichen Formen und Varianten. Kühlkörper aus Aluminium-Stranggussprofilen zählen zu den Klassikern unter den passiven Elektronikkühllösungen. Sie leiten große Wärmemengen zuverlässig ab, sichern den stabilen Betrieb der Bauteile und erhöhen deren Lebensdauer. Ebenso arbeiten die CTX-Kühlkörper für SMD-Bauelemente nach diesem Prinzip. Sie ermöglichen eine sehr dichte, auch beidseitige Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur Miniaturisierung der Geräte bei.

Wo passive Kühlkörper an ihre Grenzen stoßen, rücken aktive Kühllösungen in den Vordergrund. „Die Entwärmung mit kleinformatigen Lüftern und Gebläsen ist leistungsstärker als die freie Konvektion“, erläutert Wilfried Schmitz die Vorteile der erzwungenen Kühlung (Zwangskühlung). Die Lüfter und Gebläse lassen sich sowohl alleinstehend als auch in Kombination mit einem Kühlkörper nutzen, um die entstehende Wärme forciert abzuführen. „Solche Lösungen arbeiten bei gleicher Masse etwa sechsmal so effektiv wie ihre passiven Pendants“, berichtet Wilfried Schmitz aus der Praxis. „Entsprechend kompakt kann CTX diese Lösungen bauen.“

Kühlkörper für SMD-Bauelemente ermöglichen eine sehr dichte, auch beidseitige
Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur
Miniaturisierung der Geräte bei.
Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur
Miniaturisierung der Geräte bei.
Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur
Miniaturisierung der Geräte bei. CTX

Die Königsklasse der aktiven Kühlung sind Flüssigkeitskühler. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen. Hierbei erfolgt die Wärmeableitung direkt am elektronischen Bauteil, welches sich auf dem flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement befindet. Für Wilfried Schmitz ist dies ein wärmetechnisches Konzept, dessen Effizienz überragend ist: „Dadurch lassen sich 15 bis 25 % mehr Wärme ableiten als es bei herkömmlichen Kühlsystemen der Fall ist.“ Ein weiteres Plus: Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus und sind daher kompakt. Eine typische Anwendung ist die Kühlung moderner Hochleistungs-IGBT-Module durch Ultra-Hochleistungskühlkörper. Bei dieser Variante leiten breite und in eine Aluminiumplatte eingelassene Kupferrohre die Hitze aus dem Bauelement schnell ab.

Kupfer für bessere Wärmeabfuhr

Auch Faktoren wie Material und Format spielen bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers eine zentrale Rolle. Die thermische Leistung ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers. Aluminium zeichnet sich durch sein geringes Gewicht bei guter Wärmeleitfähigkeit aus. Mittels Umformung im Extrusionsverfahren wird die Geometrie der Kühlkörper optimiert und den Erfordernissen angepasst. Eine zusätzliche Oberflächenveredlung, beispielsweise durch Eloxieren, verbessert die Wärmeabstrahlung der Kühlkörper nochmals.

Als Alternative steht Kupfer zur Auswahl, „ein exzellenter Wärmeleiter“, wie Wilfried Schmitz anmerkt. Die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers führt innerhalb des Kühlkörpers zu einer schnellen und optimalen Wärmeverteilung – „allerdings auf Kosten eines höheren Preises“, räumt der CTX-Geschäftsführer ein. Um die Kosten gering zu halten, kombiniert CTX in solchen Fällen diese beiden Materialien und setzt Kupfer nur dort ein, wo es nötig ist, nämlich am Hotspot – an der Stelle mit der höchsten Verlustleistung. Der überwiegende Teil des Kühlkörpers besteht dagegen aus dem preisgünstigeren Aluminium.

Clip- und Federlösungen sorgen für einen dauerhaften thermischen Kontakt und damit für
einen gleichbleibend guten Wärmeübergang vom Halbleiter zum Kühlkörper.
einen gleichbleibend guten Wärmeübergang vom Halbleiter zum Kühlkörper.
einen gleichbleibend guten Wärmeübergang vom Halbleiter zum Kühlkörper. CTX

Klein und passgenau

Wenn es besonders klein sein muss, kommen Embedded-Kühlkörper zum Einsatz: je nach Anforderungen passiv oder aktiv. Speziell für Embedded-Systeme und Industriecomputer bietet CTX passgenaue und CNC-gefertigte Lösungen zur schnellen und zuverlässigen Wärmeabfuhr. Das Angebot umfasst Kühlkörper mit Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot und Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes sowie Lüftern. Ebenso erhältlich sind komplette Sets, bestehend aus Kühlkörper, Isolierungen, Montagebolzen und projektspezifischen Gehäusen.

Nicht weniger effizient und kompakt sind die Hochleistungskühlkörper von CTX. Die modular aufgebauten hartgelöteten Aluminiumrippenkühlkörper eignen sich ideal für eine lüftergestützte Kühlung. Wilfried Schmitz erläutert ihr herausragendes Merkmal: „Da beim Hartverlöten die Molekularstrukturen der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt werden, treten bei ihnen nur minimale Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf.“ Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 % leichter und kompakter. Sie lassen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen, und „selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch“, berichtet Wilfried Schmitz.

Per thermischer Simulation zur passenden Lösung

Ist eine Standardlösung nicht die optimale Wahl, entwickelt CTX zusammen mit dem Konstrukteur den passenden Kühlkörper. Wie dieser im Detail auszulegen ist und wie die Lüfter dimensioniert sein müssen, legt eine thermische Simulation fest. Wilfried Schmitz beschreibt die Schnittstelle zur Applikation: „Hierfür benötigen wir die technischen Details der eingesetzten Halbleiter, deren geometrische Einbauverhältnisse sowie die für den Betrieb maximal zulässige Temperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur. Anhand dieser Daten können unsere Experten in Nettetal jeden Temperaturzustand des elektronischen Bauteils vorausberechnen.“ Dieser Ansatz bietet einen wesentlichen Vorteil, denn so lassen sich mehrere Prototypen- und Versuchsdurchläufe während der Entwicklungsphase eines Gerätes oder einer Einheit einsparen und thermische Probleme frühzeitig erkennen. Der Konstrukteur erfährt genau, ob die gewählte Kühllösung ihren Zweck erfüllt, wie groß die Lüfterleistung sein muss oder ob eine passive oder aktive Kühlung vorgesehen werden muss.

(av)