Wie die Entwärmung von Embedded Systems die Lebensdauer erhöht

Eingebettete Systeme finden sich in nahezu jedem Bereich unseres Lebens wieder. Wir nutzen sie meist unbewusst, denn sie verrichten ihren Dienst im Hintergrund, ohne dass wir als Anwender etwas davon bemerken. Sie sind eingebettet oder angebaut an Geräten oder Anlagen, wie z. B. Schaltschränken und übernehmen dort eine wesentliche Funktion für die sie speziell entwickelt wurden.

Neben dieser grundlegenden Aufgabe stehen auch die Langlebigkeit und ein störungsfreies Arbeiten der Systeme im Fokus der Entwicklung, denn Embedded Systems sind für einen dauerhaften Betrieb ausgelegt. Ein effizientes thermisches Management ist daher essenziell, um die Lebensdauer von Embedded Systems zu gewährleisten. Kühlkörper und Kühlrippengehäuse leisten einen wesentlichen Beitrag, um die empfindliche Elektronik vor Überhitzung und daraus folgenden Fehlfunktionen zu bewahren.

Kühlkörper schützen Embedded Systems vor Überhitzung

Da die Temperaturbegrenzung von Embedded Systems durch stetig zunehmende Rechenleistungen und damit steigenden Verlustleistungen immer komplizierter wird, spielt die Gestaltung eines geeigneten Wärmemanagements eine wichtige Rolle. Ein Überschreiten der zulässigen Sperrschichttemperatur führt auf Dauer zur Zerstörung der Leistungskomponenten. Spezielle Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer (zum Beispiel für SMD-Bauteile oder Aufsteckkühlkörper für Transistoren etc.) schützen die Elektronik vor Überhitzung und verhindern so einen vorzeitigen Ausfall.

Als Kühlkörper bezeichnet man ein mechanisches Bauteil, das aus einem Werkstoff mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer, gefertigt ist. Mithilfe einer thermischen Kontaktierung eines Kühlkörpers mit einem wärmeproduzierenden Bauteil, nimmt der Kühlkörper die entstehende Wärme (Verlustleistung) auf und kann diese über die vergrößerte Oberfläche an die Umgebung ableiten. Mittels dieser Oberflächenvergrößerung kommt es zu einem besseren Energieaustausch und einer damit verbundenen Reduzierung des Wärmewiderstandes.

Die zunehmende Verlustleistung und der immer kleiner werdende Bauraum von Embedded Systems ist eine große Herausforderung für das thermische Management. Fischer Elektronik, Hersteller von passiven Bauteileelementen für die Leistungselektronik bietet neben einem breiten Produktprogramm von Kühlkörpern, auch eine Vielzahl von Gehäusen, die zur Entwärmung der Elektronik beitragen.

Embedded-Gehäuse zur Temperaturbegrenzung

Je nach Einsatzort eines Embedded Systems spielt die Suche nach einem geeigneten Gehäuse eine wichtige Rolle und muss von Beginn an berücksichtig werden. Ihr vielfältiges Einsatzspektrum erfordert Gehäuse mit diversen funktionellen Eigenschaften. In erster Linie sind das Gehäuse mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften, aber auch Gehäuse mit Montagemöglichkeiten für Montage- und Leiterplatten. Gehäuse-Hersteller offerieren eine Reihe von Gehäusetypen, denn die Anforderungen, die an ein Gehäuse gestellt werden, sind sehr unterschiedlich.

Die Suche nach einem geeigneten Gehäuse beginnt mit der Frage der Gehäusegröße. Es folgen Überlegungen zur Implementierung der Elektronik in das Gehäuse. Diese ist von Fall zu Fall unterschiedlich und hängt im Wesentlichen von der jeweiligen Anwendung ab. Dann wiederum müssen Besonderheiten der Umgebung, in der das Gerät später betrieben wird, berücksichtigt werden. Nicht nur die Frage nach Verschmutzungen oder nach elektromagnetischen Störquellen spielt eine Rolle. Von besonderer Bedeutung ist auch die Höhe der Verlustleistung, die abgeführt werden muss.

Kühlrippengehäuse haben besonders gute Wärmeableiteigenschaften

Für Anwendungen, bei denen elektronische Bauelemente mit einer großen Verlustleistung eingesetzt werden, oder die Temperaturbegrenzung der eingebauten Elektronikkomponenten durch eine hohe Bestückungsdichte besonders erschwert wird und ein Einsatz von Lüftern nicht möglich ist, kommen spezielle Kühlrippengehäuse zum Einsatz. Kühlrippengehäuse bzw. Wärmeableitgehäuse sind Gehäuse bei denen der Hauptgehäusekörper durch spezielle Halbschalen aus Aluminiumstrangpressprofilen gebildet wird.

Es kann sich dabei um zwei einseitig offene Halbschalenprofile handeln, die gegeneinander gesteckt werden, oder um ein Halbschalenprofil, dass durch ein Deck- bzw. Bodenblech komplettiert wird. Den Abschluss der Gehäuse bilden front- und rückseitige Deckelplatten. Der Gehäusekörper eines Wärmeableitgehäuses wird schon beim Strangpressen mit außenliegenden Kühlrippen versehen und übernimmt damit die Funktion eines Kühlkörpers.

Halbschalen ohne Kühlrippen werden, anstelle der Deckbleche, durch einschiebbare Kühlkörperprofile ergänzt. Konturelemente wie Führungsnuten werden beim Strangpressen in die Profile mit eingebracht und gewährleisten eine Aufnahme von diversen Mainboard-Formaten wie z. B. Mini-ITX, Mini-STX, EBX, Nano ITX, NUC, EPIC, ETX/XTX, PC/104 oder auch ungenormten Leiterplatten, Elektronikkomponenten oder Montageplatten.

Die Breite und Höhe von Kühlrippengehäusen wird durch die eingesetzten Halbschalenprofile bestimmt. Die Länge ist variabel. Benötigen Kunden nicht nur eine variable Gehäuselänge, sondern auch eine kundenspezifische Breite, so bieten sich Kühlrippengehäuse an, deren Seitenwände aus Profilen mit Kühlrippen bestehen und mittels Deck- und Bodenblech kombiniert werden. Die front- und rückseitigen Deckelplatten sowie die Deck- und Bodenbleche können problemlos nach kundenspezifischen Vorgaben gefertigt werden (Bild 1).

Wärmeableitgehäuse deren Unterschale aus Aluminiumblechen geformt wird, und die Oberschale aus einem Kühlkörperprofil mit montierten Seitenblechen zusammengesetzt wird, bieten komplett variable Gehäuseparameter in Verbindung mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften. In der Unterschale befinden sich fest integrierte Gewinde-Buchsen, die der Befestigung einer Montage- oder Leiterplatte dienen. Die Position und Höhe der Gewinde-Buchsen ist ebenso frei wählbar wie die Höhe, Breite und Tiefe des Gehäuses.

Der Vorteil dieser Gehäuse-Variante ist, dass das Kühlkörperprofil aus einem breiten Sortiment von Profilen mit verschiedenen Breiten, Höhen, Kühlrippengestaltungen und unterschiedlichen Wärmeableitwerten gewählt werden kann. Für die Abfuhr von großen Verlustleistung, werden Gehäuseausführungen mit integrierten Lüftungsschlitzen angeboten. Ein weiterer Vorteil dieser Gehäuse-Variante ist, dass sie kostengünstig ist und sich kundenspezifische Ausführungen der kompletten Gehäuseparameter leicht umzusetzen lassen (Bild 2).

Damit Anwender schnell ein geeignetes Kühlkörperprofil bzw. Wärmeableitgehäuse finden, geben Hersteller deren Wärmewiderstand in Form von Diagrammen an (Bild 3).

Unabhängig davon, ob die Entwärmung über einen Kühlkörper oder einem Gehäuseprofil mit Kühlrippen erfolgt, Voraussetzung für eine optimale Wärmeabfuhr ist, dass die Kontaktierung nicht durch Lufteinschlüsse zwischen Kühlkörper und Wärmequelle gestört wird, denn das Medium Luft ist ein sehr schlechter Wärmeleiter.

Optimale Anbindung von Wärmequelle und Kühlkörper durch Wärmeleitmaterial

Um Wärmequelle und Kühlkörper bestmöglich zu verbinden, werden Wärmeleitmaterialien (TIM = Thermal Interface Materials) verwendet. Wärmeleitmaterialien passen sich der Oberfläche der Leistungskomponenten, je nach Material, an und eliminieren somit unerwünschte Luftpolster.

Wärmeleitmaterialen sind zum Beispiel Wärmeleitfolien, –Pasten oder -Kleber. Sie verfügen über eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft. Aufgrund ihrer Fähigkeit unerwünschte Lufteinschlüsse auszufüllen, sind sie in der Lage die Leistungskomponenten mit dem Gehäuseprofil optimal zu verbinden. Dabei sollten sie möglichst dünn ausfallen, denn ihre Wärmeleitfähigkeit ist zwar sehr viel besser als die von Luft, jedoch nicht so gut wie die von Aluminium oder Kupfer (Bild 4). (neu)