Mehr Leistung, weniger Hitze: Strategien für effektive Kühlung

In leistungselektronischen Systemen ist die Wärmeableitung von Bauteilen einer der Schlüsselaspekte, da sie deren Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer in positiver Weise beeinflusst. Ein Kühlkörper dient hierbei als zentrales passives Kühlungselement und ermöglicht die Ableitung der von elektronischen Bauteilen, Prozessoren oder Leistungstransistoren erzeugten Hitze, indem sie diese über Leitung, Konvektion und zu einem geringeren Teil über Strahlung an die Umgebung abgeben (Bild 1).

Abhängig von seiner Geometrie, dem verwendeten Material, der Position auf der Leiterplatte und der Befestigungsmethode in der Anwendung, performt jeder Kühlkörper unterschiedlich. Zwischen der verfügbaren Oberfläche eines Kühlkörpers und seinem thermischen Widerstand besteht ein enger Zusammenhang: Je größer die Oberfläche, desto mehr Aluminium steht zur Verfügung, um die entstehende Wärme besser abzuführen. Allerdings ist es wichtig zu verstehen, dass auch der Typ und das Design des Kühlkörpers die Leistung direkt beeinflussen, d.h. dass der thermische Widerstand nicht nur durch die Oberfläche, sondern auch durch die Topologie des Kühlkörpers bestimmt wird. 

Vielfalt der Kühlkörper

Beim Wärmeübergang an die Umgebung spielen sowohl die Luftkontaktfläche als auch die Topologie eine große Rolle bei der Kühlung von Komponenten. Aus diesem Grund ist das Kühlkörper-Produktportfolio von Würth Elektronik in zwei Hauptbereiche unterteilt: Kühlkörper der WE‑HIC-Serie sind dafür ausgelegt, mit flachen Elementen wie integrierten Schaltungen (ICs) oder anderen SMT‑Bauteilen zu interagieren. Hingegen wurde die WE‑HTO‑Serie für bedrahtete TO‑Gehäuse – wie etwa für TO‑220 und TO‑247 – entwickelt. 

Gestanzte Aluminiumkühlkörper für bedrahtete TO‑Transistoren verfolgen einen anderen Ansatz im Thermomanagement: Leichtbau und einfache Konstruktion stehen im Vordergrund, nicht maximale Kühlleistung. Sie werden aus dünnen Aluminiumblechen gestanzt und gebogen und besitzen flache, weit auseinanderliegende Rippen sowie eine sehr dünne Grundplatte. Zwar sind sie weniger effizient als extrudierte Kühlkörper, reichen jedoch für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme völlig aus. Für kleine Gehäuse wie TO‑220 oder TO‑247 bieten sie ausreichende Kühlung bei geringem Gewicht und niedrigen Kosten. Ihr einfaches Design ermöglicht zudem eine flexible Montage per Clip, Kleben oder mechanischer Befestigung, kann jedoch in stark vibrierenden Umgebungen die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Aufgrund ihrer geringen thermischen Masse sind sie für Hochleistungsanwendungen ungeeignet. Ihr flaches Profil macht sie dagegen besonders attraktiv bei beengtem Bauraum. Tabelle 1 zeigt typische Einsatzbereiche.

Extrudierte und somit massive Kühlkörper gehören zu den am weitesten verbreiteten und kosteneffizientesten Lösungen im Thermomanagement. Sie bekommen ihre Form, indem erhitztes Aluminium durch eine formgebende Matrize gepresst wird. Dadurch entstehen Kühlkörper mit parallel verlaufenden Rippen über die gesamte Länge, die ein optimales Verhältnis zwischen Oberfläche und struktureller Stabilität bieten. Unterschieden wird hierbei zwischen unidirektional verlaufenden Rippen und bidirektionalen Rippen. Während unidirektionale Kühlkörper für einen gleichmäßig gerichteten Luftstrom ausgelegt sind, eignen sich bidirektionale Kühlkörper für uneindeutige Luftströme.

Der Extrusionsprozess erlaubt zweidimensionale Profilformen bei gleichzeitig sehr guter Wärmeleitfähigkeit. Für IC‑Gehäuse sind extrudierte Kühlkörper besonders effektiv, wenn sie mithilfe geeigneter Wärmeleitmaterialien direkt auf die wärmeerzeugenden Komponenten montiert werden. Das Herstellungsverfahren erlaubt zudem eine kostengünstige Serienfertigung in hohen Stückzahlen, wenngleich die Designs aufgrund des Prozesses generell auf zweidimensionale Profilformen beschränkt sind. Ihre langen, durchgehenden Rippen fördern eine rasche Wärmeabgabe durch natürliche Konvektion und machen sie besonders geeignet für Anwendungen mit einem gleichmäßigen, gerichteten Luftstrom (Bild 2). Der Querschnitt der Rippen ermöglicht es dem Kühlkörper, Wärme in Anwendungen an die Umgebung abzugeben, in denen der Luftstrom uneindeutig ist und aus jeder Richtung kommen kann (Bild 3). Tabelle 2 zeigt, wofür sich die gerippten Kühlkörper eignen und deren Anwendungsgebiete.

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

Bedeutung von TIM

Die Effizienz des Wärmemanagements hängt maßgeblich von der Wahl des richtigen Thermal Interface Materials (TIM) ab. Entscheidend ist nicht nur die Verbindung zwischen Kühlkörper und Chipgehäuse, sondern die passgenaue Abstimmung auf die Applikation. Der eigentliche Engpass der Wärmeabfuhr liegt oft im Kontakt: Selbst scheinbar glatte Oberflächen weisen mikroskopische Rauheiten auf, sodass nur punktuelle Berührungen entstehen. Dabei bilden sich Luftspalte, die als thermische Isolatoren wirken und die Kühlleistung deutlich mindern.

Die Auswahl eines TIM darf sich daher nicht allein an der im Datenblatt angegebenen Wärmeleitfähigkeit orientieren. Ausschlaggebend ist vielmehr, welches Material die realen Anforderungen der Schnittstelle am besten erfüllt. Eine hohe nominelle Wärmeleitfähigkeit führt nicht zwangsläufig zu besserer Performance im Endprodukt. Zwar dient die Wärmeleitfähigkeit als grundlegender Kennwert zur Einordnung eines Materials, sie beschreibt jedoch nicht das tatsächliche Verhalten in der Baugruppe. Aufgrund der unebenen Oberflächen erfolgt der Wärmetransfer zwischen Festkörpern nicht homogen. Aufgabe des TIM ist es daher, isolierende Luftspalte zu verdrängen und die Benetzung der Kontaktflächen zu verbessern (Bild 4).

Würth Elektronik hält ein umfangreiches Portfolio an thermischen Interface-Materialien bereit. Um Elektronikfertigern den aufwändigen Prozess des Aufbringens von TIM auf die Kühlkörper zu erleichtern, gibt es von Würth Elektronik mit den beiden Produktgruppen WE-HTOI- und WE-HICI bereits mit TIM vorkonfektionierte Kühlkörper, die eine optimale thermische Wärmeableitung bieten. Konkret kommen für die WE-HTOI-Kühlkörper die TIMs der Produktgruppe WE-TINS und für die Kühlkörper der WE-HICI-Serie die TIMs der WE-TTT-Produktreihe zum Einsatz.

In der praktischen Anwendung entspricht der thermische Widerstand einer TIM-Schnittstelle nicht allein dem Leitungswiderstand des Volumenmaterials. Vielmehr setzt er sich aus drei Anteilen zusammen: dem thermischen Kontaktwiderstand an der ersten Grenzfläche, dem Wärmeleitwiderstand des TIM selbst sowie dem thermischen Kontaktwiderstand an der zweiten Grenzfläche.

R_TIM ≈ R_contact,1 + t/(k × A) + R_contact,2

Diese Betrachtung bildet die reale Situation in der montierten Baugruppe deutlich besser ab als die isolierte Bewertung der Wärmeleitfähigkeit. Während der mittlere Wert den Materialwiderstand des TIM beschreibt, sind die Kontaktwiderstände im Datenblatt oft nicht direkt ersichtlich, beeinflussen jedoch die Gesamtperformance maßgeblich. Schlechter Oberflächenkontakt kann zusätzliche Widerstände verursachen. Daher kann ein TIM mit geringerer nomineller Wärmeleitfähigkeit in einer dünnen, gut kontrollierten Schnittstelle eine bessere thermische Leistung erzielen als ein leitfähigeres Material in einer dicken oder unzureichend kontaktierten Verbindung. 

Das passende Kühlkörper-Design

Das Hauptziel jeder Kühlkörperkonstruktion besteht darin, die Wärmeübertragung von einem heißen Bauteil an die umgebende Luft zu maximieren und somit die Temperaturen der Bauteile in einem funktionalen Bereich zu halten. Dies wird hauptsächlich durch die folgende Formel bestimmt:

Q = h_conv  × A  × (T_source - T_ambient)

• Q = abgeführte Wärme in W
• h_conv = konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (10 W/m²K für natürliche Konvektion, 15-50 W/m²K für erzwungene Konvektion) 
• A = gesamte Oberfläche, die mit der Umgebungsluft in Kontakt steht
• T_source-T_ambient = Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle/Kühlkörper und Umgebungsluft

Um die abgeführte Leistung zu erhöhen, lässt sich die Oberfläche vergrößern. Jedoch wird dies dadurch begrenzt, wie gut die Grundplatte des Kühlkörpers die Wärme verteilen kann.  

Wie also den richtigen Kühlkörper für eine Applikation auswählen? Nehmen wir an, dass unser Ziel darin besteht, eine ausreichende Kühlung für einen IC bereitzustellen, der sich bei etwa 85 °C stabilisiert, und sich zwischen Wärmequelle und Kühlkörper ein (TIM) befindet. Dadurch lässt sich eine Zieloberflächentemperatur von 80 °C sowie eine maximale Umgebungstemperatur von 40 °C definieren. In unserem Beispiel wird eine Verlustleistung (PS) von 10 W und eine IC-Oberfläche (AIC) von 250 mm² angenommen. Als erster Schritt gilt es zu ermitteln, welche minimale Wärmeübertragungsrate (W/K) der Kühlkörper ins System einbringen muss, um die Designziele erreichen zu können. Daraus lässt sich ableiten, wie groß der Kühlkörper sein muss und welche mechanischen Randbedingungen zu berücksichtigen sind. 

Hilfreich ist es, die Konvektionsformel so umzuformen, so dass die durch das Design festgelegten Parameter sich von denjenigen trennen lassen, die verändert werden können (Bild 5). 

Wie kühlt man ein Netzteil?

Da kein Netzteil vollständig verlustfrei arbeitet, entsteht ein Teil der eingesetzten Energie zwangsläufig als Wärme. Eine geeignete Wärmeableitung ist daher entscheidend für Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Stromversorgungen.

Sabine Synkule

Während 0,25 W/K die minimale Wärmeübertragungsrate an die Umgebung ist, gibt es mit der natürlichen und erzwungenen Konvention zwei mögliche Szenarien, um die Größe der Kühlkörperfläche zu ermitteln (Bild 5). 

Für einen Kühlkörper, der unter Bedingungen der natürlichen Konvektion arbeitet, ist ein großer Abstand zwischen den Kühlrippen erforderlich. Kommt der Kühlkörper hingegen in einer Umgebung mit erzwungener Konvektion zum Einsatz, ließe sich auf derselben Grundfläche eine größere Oberfläche erzielen, indem die Kühlrippen dünner ausgeführt und enger beieinander angeordnet sind. Beide Kühlkörper würden die notwendige Wärmeübertragungsrate liefern, um das vorgegebene Designziel zu erreichen. Abhängig davon, in welcher Umgebung das endgültige Design betrieben wird, ist es möglich, zwischen natürlicher oder erzwungener Konvektion zu wählen. Ist die Flächengröße berechnet, folgt als nächster Schritt die Berechnung des thermischen Widerstands eines Kühlkörpers.  Hilfreich hierfür ist folgende Formel:

R_HS = 1 / (10 W/m²K  × 0,0025 m²) = 4 K/W

Damit sind alle notwendigen Informationen vorhanden, um ein thermisches System zu bewerten und um zu prüfen, inwiefern die ursprünglichen Designziele erreicht wurden. Zu diesem Zweck lässt sich das in Bild 6 gezeigte thermische Widerstandsmodell verwenden.

Da 10 W eine große Verlustleistung darstellt, spielt die Auswahl des thermischen Interface‑Materials (TIM) eine entscheidende Rolle. Wie man das passsende TIM aussucht, wird beispielhaft mit dem wärmeleitfähigen Füllstoffpolster der WE‑TGF‑Serie von Würth Elektronik veranschaulicht. Um den thermischen Widerstand möglichst gering zu halten, wurde eine Variante ausgewählt, die über eine Wärmeleitfähigkeit von 3 W/mK verfügt und lediglich 0,5 mm dick ist. Dadurch ist eine Berechnung mittels nachfolgender Formel möglich:

R_TIM = Thickness / (Thermal Conductivity  × Area) = 0,66 K/W

Abschließend lässt sich bewerten, ob das System das Ziel einer Oberflächentemperatur von T_s = 80 °C erreicht:

T_S = 10 W  × (0,66 K/W + 4 K/W) + 40 °C ≈ 86 °C

Materialien für das Wärmemanagement von Batterien

Leistung, Sicherheit und Lebensdauer aktueller Batterien hängen stark vom Thermomanagement ab. Spezielle Folien, Pasten und Platten helfen, Temperaturspitzen gezielt zu kontrollieren und Batteriemodule zuverlässig zu schützen.

Dr. Michael Müller

Andreas Zeiff

Da es sich hierbei um ein vereinfachtes thermisches Modell handelt, das davon ausgeht, dass die gesamte Wärme vom Bauteil zum Kühlkörper fließt und ausschließlich über natürliche Konvektion – ohne Berücksichtigung von Strahlungsanteilen – an die Umgebung abgeführt wird, lässt sich annehmen, dass das Design für eine erste Abschätzung hinreichend konsistent ist. Gilt es jedoch, das System umfassender zu bewerten, sollte eine thermische Simulationssoftware wie etwa Ansys‘ Icepak zum Einsatz kommen, um komplexere Effekte wie Strahlung, Wärmestau, Luftströmungsmuster oder lokale Hotspots realistisch zu modellieren. (na)