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Lösungen für effektives Wärmemanagement: Cool bleiben!

Ein wirkungsvolles Wärmemanagement ist für nahezu alle elektro­nischen Geräte und Applikationen ein Muss. Viele Lösungen wie ­Wärmeleitfolien, Stiftkühlkörper und langlebige Lüfter stehen zur ­Verfügung, die je nach Anforderungsprofil zum Einsatz kommen.

Viele Lösungen im Wärmemanagement für elektronische Geräte und Applikationen Bildquelle: © alphaspirit – Shutterstock

Viele Lösungen im Wärme- management für elektronische Geräte und Applikationen.

Aufgrund von immer effizienteren Komponenten, kleineren und zunehmend mobilen Anwendungen sowie dem Wunsch nach Lösungen für eine automatisierte Fertigung haben sich die Anforderungen an das Wärmemanagement gewandelt. Zahlreiche neue Lösungen beantworten diese. Um aus dieser Vielfalt die optimale Strategie auszuwählen, bedarf es einer individuellen Analyse, denn jede Applikation bringt andere Anforderungen und Gegebenheiten mit sich.

Eine komfortable Möglichkeit bietet die CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics, numerische Strömungsanalyse). Mit ihr lässt sich bereits in der Konzeptphase das Wärmeverhalten von Produkten und Prototypen darstellen. Dabei berücksichtigt sie die thermischen Widerstände, die Wärmeleitwerte verschiedener Materialien, die Konvektion und Wärmestrahlung sowie die CAD-Daten und die realen Einbau- und Umgebungsbedingungen. Auf dieser Basis stellt die CFD-Analyse Ursache und Wirkung von Wärmelasten sowie die Temperatur- und Strömungsverteilung einer Baugruppe dreidimensional dar und liefert damit eine solide Entscheidungsgrundlage für die Wahl des Gehäusedesigns sowie des geeigneten Kühlkörpers.

Das Pyrolytic Graphite Sheet (PGS) von Panasonic ist leicht, flexibel und sehr leitfähig Bildquelle: © Panasonic

Bild 1. Das Pyrolytic Graphite Sheet (PGS) von Panasonic ist leicht, flexibel und sehr leitfähig.

Folien für kleine, leichte Mobilgeräte

Insbesondere tragbare Geräte wie Smartphones, Tablets und Kameras erfordern immer dünnere und leichtere Lösungen, um Wärme effektiv abzuleiten oder zu verteilen. Das betrifft nicht nur die Konsumelektronik, auch die Infrastruktur für die Datenübertragung enthält mehr und mehr komplexe Elektronik auf kleinem Raum: Elektro- und Hybridfahrzeuge benötigen langlebige und leichte Batterien, Industrie-4.0-Applikationen erfordern mehr Überwachungs- und Steuerungsmöglichkeiten, Solar-Panels müssen hoher Wärmeentwicklung standhalten und in der Medizintechnik kommen zunehmend mobile Geräte zum Einsatz, die bequem zu tragen sein sollen.

Wird die PGS-Folie zwischen Hotspot und Kühlkörper eingesetzt, leitet sie die Wärme sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung ab Bildquelle: © Panasonic

Bild 2. Wird die PGS-Folie zwischen Hotspot und Kühlkörper eingesetzt, leitet sie die Wärme sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung ab.

Für Anwendungen dieser Art bietet die PGS-Folie (Pyrolytic Graphite Sheet, Bild 1) von Panasonic [1] eine clevere Lösung, die sowohl Wärme von einem Hotspot abtransportiert als auch in horizontaler Ebene verteilt. Als Wärme-Leitschichtmaterial zwischen Hotspot und Kühlkörper kombiniert die Folie die horizontale mit der vertikalen Dissipation (Bild 2). Besonders, wenn sich der Kühlkörper oder Wärmespreizer nicht direkt bei der Wärmequelle befindet, kann eine PGS-Folie die Wärme effektiv und schnell zum Kühlbereich hin ableiten. Wird sie unmittelbar an der Wärmequelle – CPU, GPU, Batterien oder ASIC – angebracht, gibt sie die Wärme an das Außengehäuse ab.

Die PGS-Folie besteht aus einem leichten, flexiblen Schichtstoff mit pyrolytischem Graphit und passt mit einer Materialdicke von 10 bis 200 µm auch in kleine Geräte. Das Material ist flexibel, sodass es individuell in Form geschnitten werden kann. Mit einem Biegeradius von 2 mm lassen sich die Lagen mehr als 3000 Mal bis 190° weit biegen. Gleichzeitig erreicht die PGS-Folie mit Werten von 700 bis 1950 W/(m × K) – je nach Schichtdicke – eine Wärmeleitfähigkeit, die zwei bis fünf Mal besser ausfällt als bei Kupfer und sieben Mal besser als bei Aluminium.

Die PGS-Folie von Panasonic reduziert die Temperatur am Hotspot ganz erheblich, selbst dann, wenn kein Silikon-Thermal-Pad den Wärmeübergang fördert Bildquelle: © Panasonic

Bild 3. Die PGS-Folie von Panasonic reduziert die Temperatur am Hotspot ganz erheblich, selbst dann, wenn kein Silikon-Thermal-Pad den Wärmeübergang fördert.

Die Wirksamkeit der PGS-Folie bei der Absenkung der Temperaturen an heißen Stellen veranschaulicht Bild 3. Es dokumentiert die Temperaturen auf der ABS-Schicht (Acrylnitril-Butadien-Styrol) für den Fall, dass ein IC über ein Silikon-Thermal-Pad mit der Oberfläche verbunden ist (Typ A/Typ B). Ebenso dargestellt sind die Fälle, bei denen eine große (Typ A-1/Typ B-1) bzw. eine kleine PGS-Folie (Typ A-2/Typ B-2) mit einer Dicke von 70 µm zwischen Silikonschicht und Leiterplatte liegt. Hier wird deutlich: Selbst wenn nur eine kleine Folie genutzt wird, reduziert die PGS-Folie die Temperatur am Hotspot erheblich – dies gilt auch, wenn kein Silikon-Thermal-Pad verwendet wird und damit eine Luftstrecke vorhanden ist. Zusätzlich schirmt sie – in Grenzen – elektromagnetische Störungen ab, sodass die PGS-Folie für viele Anwendungen gleichzeitig eine EMV-Lösung darstellt. Das stabile Material ist unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und zeigt keine Alterungserscheinungen.

Stiftkühlkörper erfüllen die Anforderungen an geringes Gewicht, hohen Wirkungsgrad und einfache Montage Bildquelle: © Panasonic

Bild 4. Stiftkühlkörper erfüllen die Anforderungen an geringes Gewicht, hohen Wirkungsgrad und einfache Montage.

Kühlkörper in vielen Varianten

In allen Bereichen, in denen Prozessoren eingesetzt werden, bieten Stiftkühlkörper eine sehr wirksame Methode zur Wärmeabfuhr. Durch ihre strömungsbegünstigende Stiftanordnung erreichen sie einen hohen Wirkungsgrad und einen optimierten Luftdurchsatz. Ihr geringes Gewicht und die einfache Montage sprechen ebenfalls für die Stiftkühlkörper (Bild 4). Sie sind in vielen Varianten bei der Firma Assmann WSW [2] erhältlich. Der Hersteller bietet neben Standardprodukten auch Sonderlösungen an, bei denen die abgepressten Aluminiumprofile nach den jeweiligen Kundenvorgaben in CNC-Bearbeitungszentren bearbeitet werden. Die Sonderlösungen schließen verschiedene Materialien, Profilquerschnitte und -Längen, Ausführungen als Hohlrippenprofile, Lochungen, Bohrungen, geschweißte Kühlkörper, eloxierte Sicht- und Dekor-Oberflächen sowie Sonderverpackungen für die manuelle, teil- oder vollautomatische Bestückung mit ein. Dabei arbeitet der Hersteller eng mit dem Distributor Rutronik [3] zusammen, um technisch und kostenseitig das Optimum für den Kunden zu erzielen. Dies lässt sich umso einfacher realisieren, je früher das Wärmemanagement in die Entwicklung mit einfließt und je mehr Informationen dabei zur Verfügung stehen. Zwingend notwendig sind bemaßte Profil- und Bearbeitungszeichnungen inklusive Toleranzen. Ist hier auch die geforderte Oberfläche, z.B. kratzerfrei oder geschliffen, angegeben, so lässt sich dies in der Auswahl mit berücksichtigen. Bei komplexen kundenspezifischen Profilen sind zusätzliche 3D-Daten hilfreich.

Bild 5. High-Power LEDs benötigen zwingend zusätzliche Kühlkörper zur Wärmeabfuhr Bildquelle: © Panasonic

Bild 5. High-Power LEDs benötigen zwingend zusätzliche Kühlkörper zur Wärmeabfuhr.

Bei LEDs spielt die Entwärmung ebenfalls eine große Rolle: Ein ungenügendes Thermomanagement hat nicht nur Auswirkungen auf die Lebensdauer der LED, sondern auch auf ihr Farbspektrum und ihre Lichtleistung. Die Wärme wird in entgegengesetzter Richtung zur Lichtabstrahlung an das PCB abgegeben; als Transportmedien fungieren dabei das PCB selbst, das Gehäuse oder ein zusätzlicher Kühlkörper auf dem Board. Ambient-Lighting-Applikationen kommen meist ohne Kühlkörper aus, da sich ihre Ausgangsspannung lediglich im Milliwatt-Bereich bewegt. Bei High-Power-LEDs, die etwa in Flutlichtern oder der Büro-, Shop- und Straßenbeleuchtung zum Einsatz kommen, wäre das Kristall ohne zusätzliche Kühlungsmechanismen innerhalb weniger Sekunden zerstört. Um dem entgegenzuwirken, stehen vielfältige Kühlkörper (Bild 5) zur Auswahl. Bei Assmann WSW zum Beispiel reicht die Palette von kleinen fingerförmigen Modellen mit einem Wärmewiderstand > 16 K/W bis hin zu großen Strangpressprofilen mit einem Rth < 1 K/W. Neben den Standardprodukten entwickelt der Spezialist für Wärmemanagement für LED-Applikationen auch maßgeschneiderte Lösungen.