Kühlkonzepte für leistungsstarke Elektronik

Die Rechenleistung moderner Geräte wird immer höher und damit steigt die Anforderung an ein geeignetes Wärmemanagement deutlich. Besonders in Anwendungen, in denen KI- und High-Performance-Computing enorme Datenmengen verarbeiten, führt die gesteigerte Leistung unweigerlich zu mehr Abwärme. Um diese zuverlässig abzuführen, sind heute noch leistungsstärkere und effizientere Kühlstrategien erforderlich.

Mehr Leistung, weniger Hitze: Strategien für effektive Kühlung

Wie gelingt effektives Wärmemanagement bei komplexen elektronischen Baugruppen mit hoher Leistungsdichte? Mit den richtigen Lösungen zur Wärmeableitung lässt sich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer erheblich steigern. Ausschlaggebend hierfür ist also die richtige Auswahl des Kühlkörpers sowie des passenden Thermal Interface-Materials.

Maria Cuesta-Martin

Sebastian Mirasol-Menacho

Marisa Robles

Besonders anspruchsvoll wird es bei elektronischen Bauelementen mit sehr hoher Leistungsaufnahme und kleiner Wärmeübergangsfläche, den sogenannten Hot Spots. Diese Komponenten müssen punktgenau und effizient gekühlt werden, was fundiertes Know-how im Thermal- Management und ein durchdachtes Kühlkonzept voraussetzt. Dieser Fachartikel bietet Entwicklern und Konstrukteuren praxisnahe Unterstützung, technische Hintergründe und konkrete Anregungen, um die thermischen Herausforderungen moderner Elektronik optimal zu meistern. Die verwendeten Abkürzungen basieren auf englischen Fachbezeichnungen. Diese werden in der nachstehenden Übersicht vorgestellt und erklärt.

Kühlkonzept für Leistungshalbleiter frühzeitig planen

Die Festlegung des Kühlkonzeptes zur Kühlung von Leistungshalbleitern muss gemeinsam mit der Entwicklung des Gerätes erfolgen. Nachträgliche Änderungen sind nur schwer oder gar nicht möglich. Sie verlängern die Entwicklungszeit und sind teuer.
Bei der Auswahl oder Berechnung des Kühlkörpers für Komponentenkühlung sind wichtige Punkte zu beachten:

• Das Kühlsystem muss so bemessen sein, dass die maximal erlaubte Junction-Temperatur des Halbleiters, auch bei möglichen Grenzbedingungen, nie überschritten wird.

• Die Angabe des Wärmewiderstandes in den Datenblättern allgemein einsetzbarer Standard-Kühlkörper kann nur zum Vergleich mehrerer Kühlkörper herangezogen werden. Sie bezieht sich immer auf die optimal mögliche Wärmekopplungsfläche.

• Im praktischen Einsatz sind die zu kühlende Metall-Oberfläche des Halbleitergehäuses AC und die Wärmeübergangsfläche des Kühlkörpers AHS nicht identisch, die zu kühlende (metallische) Fläche des Bauteils ist immer kleiner als die thermische Koppelfläche des Kühlkörpers. Der Kühlflächenfaktor (Cooling Surface Factor CSF = A_C / A_HS), die Positionierung und Montage des Bauteils sind wichtige Faktoren, die die Kühlwirkung sehr stark beeinflussen können.

• So wie der Luftdruck mit steigender Höhe sinkt, verschlechtert sich die Kühlwirkung eines Kühlkörpers, z.B. bei 3000 m auf nur 80 Prozent gegenüber Meereshöhe.

• Die Oberfläche des zu kühlenden Chips wird über ein thermisch gut leitendes Interface-Material TIM (Wärmeleitpaste oder -Folie) mit der Oberfläche des Kühlkörpers verbunden. Dieses Material gleicht die Rauigkeit und die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten beider Oberflächen aus, isolierende Lufteinschlüsse werden weitgehend vermieden. Besteht das TIM aus einer beidseitig klebenden Folie, wird der Kühlkörper an der metallischen Seite des Halbleiter Gehäuses fixiert/montiert. Der thermische Widerstand des Interface-Materials RthIF ist zum thermischen Widerstand des Kühlkörpers Rth_HA zu addieren.

• Der Kühlkörper muss die abgestrahlte oder abgeblasene Wärme im zur Verfügung stehende Raum ohne Behinderung an die umgebende Luft abgehen können.

• Minimierung des Geräuschpegels anstreben. Es ist immer ein Lüfter mit den größtmöglichen Abmessungen und der niedrigsten Drehzahl oder mit tempertaturabhängiger PWM-Drehzahlregelung zu wählen.

• Die Summe aller Wärmewiderstände im Kühlsystem bestimmt dessen Effektivität.

Wie TEG-Module Wärme in Strom umwandeln

Thermoelektrische Energieerzeugung macht nutzbar, was oft verpufft: Wärme. Mit TEG-Modulen lässt sich ein Temperaturunterschied direkt in elektrischen Strom umwandeln: kompakt, geräuschlos und hochinteressant für effiziente Energiesysteme.

Jeff Smoot

Wie berechnet man den Wärmewiderstand eines Kühlkörpers?

Zwischen Halbleiterkristall und umgebender Luft befinden sich mehrere Materialien, deren Wärmewiderstände, ähnlich wie bei ohmschen Widerständen, in Reihe angeordnet sind und in Summe den gesamten Wärmewiderstand des Kühlsystems bilden.

Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers wird in drei Schritten ermittelt:

• Berechnung des Wärmewiderstands des kompletten Kühlsystems

• Berechnung des Wärmewiderstands der Interfacematerialien

• Berechnung des Wärmewiderstands Kühlkörpers

• Korrekturanpassung nach den Einsatzbedingungen 

Folgende Parameter sind vor der Berechnung festzulegen:

• Maximal erlaubte Junction-Temperatur des Halbleiters TJ_max [°C], und der Wärmewiderstand zwischen Junction und der zu kühlenden (Metall-) Oberfläche des Halbleiters RthJC [K/W], oder alternativ die maximal zulässige Gehäusetemperatur an dessen metallischen Kühlfläche [°C] (Datenblatt).

• Maximal auftretende Umgebungstemperatur im Gerät T_Amax [°C].

• Wärmeleitwert λ [W/m*K] der thermischen Interfacematerialien (TIM) (Datenblatt).

• Maximal auftretende Verlustleistung des Halbleiters P_max [W] im Betrieb (Datenblatt).

Berechnung des Wärmewiderstandes des kompletten Kühlsystems:

Maximale (metallische) Gehäusetemperatur: T_Cmax = T_Jmax – (Rth_JC*P_max) [°C].

Zur Vereinfachung geben manche Hersteller auch direkt die maximal zulässige Temperatur an der für die Entwärmung vorgesehenen metallischen Fläche des Gehäuses an: T_Cmax [°C]. Die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Umgebung ist: ΔT_CA = T_Cmax - T_Amax [K]. Der Wärmewiderstand des kompletten Systems ist: Rth_SYS = ΔT_CA /P_max [K/W].

Der Wärmewiderstand des TIM setzt sich aus einer Materialkonstante λ, der Materialdicke H [mm] und der Fläche A [mm²] (Länge * Breite) zusammen und wird so berechnet: Rth_IF = 1000*H / λ*A [K/W].

Sind mehrere Interface-Materialien vorhanden, z.B. bei zusätzlicher Verwendung eines Heatspreaders, sind die thermischen Widerstände aller Interfacestellen ΣRth_IF zu ermitteln. Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers ist dann: Rth_HS = Rth_SYS – ΣRth_IF [K/W].

Welche Korrekturanpassungen sind notwendig?

Der oben ermittelte Wert gilt nur für Meereshöhe und bei idealer, vollflächiger Wärmeübertragung zwischen Kühlkörper und der zu kühlender Oberfläche. Entsprechend den Einsatzbedingungen müssen Korrekturanpassungen vorgenommen werden.

Höhenkorrektur: So wie der Luftdruck mit steigender Höhe sinkt, verschlechtert sich auch die Kühlwirkung eines Kühlkörpers. Je nach der zu erwartenden Einsatzhöhe in m über NN muss der erforderliche Wärmewiderstand des Kühlkörpers angepasst werden.

Flächenkorrektur, der Cooling-Surface-Factor (Kühlflächenfaktor) CSF: Die zu kühlende Fläche AC ist meist deutlich kleiner als die Koppelfläche des Kühlkörpers AHS. Dadurch verschlechtert sich der Wärmewiderstand des Kühlkörpers. Die tatsächlich zu kühlende Fläche und Lage des zu kühlenden Bauteils am Kühlkörper sind individuell bestimmt und müssen berücksichtigt werden. Meist ist der Platz in der Höhe sehr begrenzt, so dass der Kühlkörper nur in der Fläche, parallel zur PCB, ausgedehnt werden kann. Aluminium, das für Kühlkörper aus Preis- und Gewichtsgründen fast ausschließlich verwendet wird, hat nur mittleren Wärmeleitwert. Daraus folgt, Kühlrippen oder -Stifte, die weiter weg von der (metallischen) Gehäuseoberfläche des Halbleiters entfernt liegen, tragen wegen des internen Wärmewiderstandes des Kühlkörperbodens deutlich weniger zur Wärmeabgabe bei. Der Cooling Surface Factor (Kühlflächenfaktor) ist das Verhältnis der Kühlfläche am Halbleiter zur Koppelfläche des Kühlkörpers CSF = A_C / A_HS. Ein Richtwert des Korrekturfaktor für den Kühlkörper kann aus dem Diagramm Rth in Abhängigkeit von CSF ermittelt werden.

Abhilfe schaffen Heatspreader, das sind dünne, sehr gut wärmeleitende Platten, mit der gleichen Fläche wie die Wärmeübergangsfläche des Kühlkörpers A_HS, die zwischen dem zu kühlenden Bauteil mit geringer Fläche und einem Kühlkörper angebracht werden. Als Material für Heatspreader eignet sich z.B. Kupfer, mit einem Wärmeleitwert von 380 W/m*K, etwa 1,8-mal besser als der von Aluminium mit nur 193-205 W/m*K. Alternativ kann natürlich auch der gesamte Kühlkörper aus Kupfer hergestellt werden. Mit einem ebenen Heatspreader aus Kupfer, kann bei geringer Zunahme an Bauhöhe eine kostengünstige Verbesserung des wirksamen Wärmewiderstandes bei großflächigen Kühlkörpern erzielt werden. Voraussetzung ist aber, dass die planparallele Ebenheit des Heatspreaders und der Wärmekoppelfläche des Kühlkörpers optimal ist und die beiden Flächen über ein entsprechendes Interface-Material gut wärmeleitend verbunden werden. Dünne, auch gut wärmeleitende Folien eignen sich nicht zur Verbesserung des CSF.

Kontrollmessung des Wärmewiderstands vor der Übernahme ins Design

Bevor das gewählte Kühlkonzept endgültig in das Gerätedesign übernommen wird, muss eine Kontrollmessung erfolgen. Die Entwärmung einer individuellen Kühlanordnung ist nur mit großer Ungenauigkeit zu berechnen. Viele, teilweise schwer zu erfassende Faktoren beeinflussen das Ergebnis. Eine Messung, die auch Größe und Lage der Wärmeübergangsfläche berücksichtigt, liefert praxisgerechte und genauere Daten.

Im Labor erfolgt die Wärme-Einkopplung über einen Heat-Injector HI, der das Halbleiterbauelement ersetzt. Er besteht aus einem 5mm dicken Block aus Aluminium oder Kupfer. Die Flächen-Abmessungen entsprechen der metallenen Wärmeübergangsfläche des Halbleitergehäuses A_C. Die Heizung erfolgt über einen Präzisionswiderstand, montiert an der gegenüberliegenden Seite der Koppelfläche. Ein im Injektor eingeklebter NiCr-Ni-Miniaturfühler erfasst die Temperatur des Injektors THI, der an der vom Anwender vorgesehenen Stelle am Kühlkörper befestigt wird. Die Heizleistung wird durch den Steuerstrom bestimmt (P_R = I²*R [W]). Bei SEPA Europe werden Heat-Injektoren in den Abmessungen 15 × 15 mm², 25 × 25 mm², 30 × 30 mm², 40 × 40 mm² 50 × 50 mm² und 60 × 100 mm² oder individuell abgestimmte Größen verwendet.

Die Endtemperatur wird nach 30-60 Minuten erreicht. Um Messfehler klein zu halten, soll sie möglichst hoch sein (z.B. 80-100 °C) und kann durch den Steuerstrom beeinflusst werden. Die Raumtemperatur T_A wird an einem in der Nähe befindlichen Aluminiumblock, ebenfalls mit einem NiCr-Ni-Temperaturfühler ausgestattet, festgestellt.

Der Wärmewiderstand des untersuchten Kühlsystems, einschließlich Interface, ist dann: RthHA = (THI-TA) / PR [K/W]. Da die tatsächliche Umgebungs-Endtemperatur in einem geschlossenen Gerät deutlich über der Raumtemperatur bei der Messung liegen wird, ist die im eingebauten Zustand erlaubte maximale Verlustleistung des elektronischen Bauteils niedriger als die bei der Systemmessung eingekoppelte Leistung. Die Kontrollrechnung mit einer realistisch anzunehmenden Umgebungstemperatur im Geräteinneren TAmax und dem ermittelten Wärmeübergangswiderstand des Kühlsystems ergibt die maximal Verlustleistung des Halbleiters PJ, die abgeführt werden kann, ohne dass der Chip überhitzt wird: P_Jmax = (T_HI – T_Amax) / Rth_HA [W] (oft wird eine maximale Umgebungstemperatur TAINmax im Geräteinneren von 40 °C angenommen).

Die neue Kühlkörperserie von SEPA EUROPE mit hocheffizienten Lüftern bietet sowohl mehr Kühlleistung als auch verbesserte Effizienz. Die Anwendung aktiver Kühlkörper kann die Spotkühlung von Hochleistungs-ICs auch bei geringer Bauhöhe deutlich verbessern und gleichzeitig Energie sparen. Die Hauptmerkmale der Kühlelemente:

• Geringe Bauhöhe durch im Kühlkörper versenkte oder direkt aufgesetzte flache DC-Lüfter.

• Leicht und klein: ein Lüfter mit hoher Leistungsdichte fügt sich in einem kompakten Kühlkörper ein und bietet flexible Gestaltungsmöglichkeiten.

• Smarte Funktionalität: Intelligente Drehzahlsteuerung macht das System flexibel und multifunktional, auch unter extremen Bedingungen.

• In Standardgrößen erhältlich oder individuell kundenspezifisch gestaltet, für verschiedenste Anwendungen wie Servoregler, Stromversorgungen, Embedded-PCs, KI-Power Compact PCIs etc. optimal geeignet.

• Aktive Standardkühler mit Litzenenden oder mit individueller Litzenlänge und Steckern nach Wunsch, mit beliebiger Pinbelegung, werden 100 Prozent geprüft.

Effiziente Umhausungen für Embedded Systems

Profilbasierte Aluminiumgehäuse übernehmen in Embedded Systems weit mehr als nur Schutzfunktionen: Sie verbessern die Integration, unterstützen die passive Kühlung und lassen sich präzise an technische Anforderungen anpassen.

Bettina Lochen

Effiziente Kühlung von Hochleistungs-ICs in der Praxis

Die Kühlung von Hochleistungskomponenten, insbesondere in Geräten mit KI- und High-Performance-Computing-Anwendungen, stellt eine immer größere Herausforderung dar. Angesichts der steigenden Wärmeentwicklung in kompakten Systemen ist ein durchdachtes Kühlkonzept entscheidend, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der elektronischen Bauteile zu gewährleisten. Die Auswahl und Berechnung des richtigen Kühlkörpers, unter Berücksichtigung von Faktoren wie maximaler Verlustleistung, Umgebungstemperatur und thermischen Widerständen, ist komplex, aber notwendig, um eine effiziente Entwärmung zu erreichen.

Wichtige Aspekte wie die Wahl geeigneter Interface-Materialien, die Positionierung der Bauteile und der Einfluss der Höhenlage auf die Kühlleistung müssen sorgfältig in die Planung einfließen. Moderne Lösungen wie die Verwendung von Heatspreadern oder aktiven Kühlsystemen mit intelligenten Lüftern bieten Potenziale für eine bessere Wärmeabführung, vor allem bei begrenztem Bauraum und hoher Leistungsdichte. Ein präzises Wärmemanagement, ergänzt durch Kontrollmessungen und Simulationen, ist unverzichtbar, um die Thermodynamik eines Systems realitätsnah zu erfassen und eine Überhitzung der Bauteile zu verhindern. (na)