E&E:
Für welche Anwendungen reicht es aus, auf einen Standardkühlkörper zurückzugreifen?
Wilfried Schmitz:
Speziell bei Kühlkörpern, die zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, die auf Leiterplatten montiert sind und in Applikationen eingesetzt werden, die in kleineren oder und mittleren Stückzahlen gefertigt werden, bieten sich Standardlösungen an. Hier ist es oft auch wirtschaftlich nicht sinnvoll, spezielle Kühlkörper zu entwerfen.
Wann ist es ratsam, einen maßgeschneiderten Kühlkörper einzusetzen?
Wenn man mit Standardprodukten das thermische Thema nicht beherrschen kann, sind maßgeschneiderte Lösungen unumgänglich. Ebenfalls kann es sinnvoll sein, bei Applikationen, die in größeren Quantitäten produziert werden sollen, thermisch wie wirtschaftlich optimierte Lösungen zu erarbeiten.
Wann ist eine passive oder aktive Lüfter- bzw. Flüssigkeitskühlung erforderlich?
Wenn es an die Auswahl eines passenden Kühlkörpers geht, muss man früh festlegen, ob das zu kühlende Bauteil eine passive, aktive Lüfter- oder etwa eine Flüssigkeitskühlung benötigt. Eine klare Indikation, was erforderlich ist, lässt sich aus den Gegebenheiten von Platz- und Einbauverhältnissen in Abhängigkeit zur Verlustleistung ableiten. Anhand dessen kann man sich für eine Kühlung ohne Lüfterunterstützung, zusätzlichen Luftstrom mittels Lüftereinsatz oder gegebenenfalls sogar für eine Flüssigkühlung entscheiden.
Was beeinflusst im Detail die Kühlleistung eines Kühlkörpers?
Ein erstes wichtiges Kriterium ist die Materialauswahl. Üblicherweise werden Aluminiumlegierungen als Rohmaterial verwendet. Der Vorteil von Aluminium ist sein geringes Gewicht. Mittels Umformung im Extrusionsverfahren wird die Geometrie optimiert und den Erfordernissen angepasst. Eine zusätzliche Oberflächenveredlung, wie zum Beispiel Eloxieren kann die Wärmeab-
strahlung nochmals verbessern. Sind die Kosten vernachlässigbar, kann man mit Hilfe des Einsatzes von Kupfer die Wärmeabfuhr nochmals verbessern. Dann muss man aber auch das höhere Gewicht von Kupfer mit einberechnen. Auch eine Kombination von Kupfer und Aluminium ist denkbar. So ist es möglich, am so genannten „Hotspot“ einen Kupfereinsatz zu verwenden, wohingegen der gesamte Kühlkörper aus Aluminium besteht.
Welche Rolle spielt der Wärmewiderstand bei der Auswahl eines passenden Kühlkörpers?
Durch die wachsende Verlustleistung von mikroelektronischen Bauelementen und der Reduzierung des so genannten Formfaktors, was ja eigentlich nichts anderes bedeutet als die Reduzierung des Formates, kommt der Beherrschung des Wärmewiderstandes eine immense Bedeutung zu. Aus dem Verhältnis der Zuverlässigkeit und der Betriebstemperatur eines Halbleiterbauelementes resultiert durch eine Senkung der Temperatur eine exponentielle Erhöhung der Zuverlässigkeit und Lebensdauererwartung des Halbleiterbauelementes.
Welche Vorteile bietet die thermische Simulation?
Durch die thermische Simulation erfährt man genau, ob die gewählte Kühllösung ihren Zweck erfüllt und wie groß die Lüfterleistung sein muss. Führt man eine solche Simulation durch, kann man mögliche thermische Probleme frühzeitig erkennen. Auch lässt sich mit ihr das Kühlkörperdesign optimieren, was maßgeblich zur Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht beiträgt. Ein Beispiel: Ergibt eine thermische Simulation, dass sich eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzen lässt, wenn man die Kühlkörpergröße, das verwendete Material oder die Befestigungsart verändert, kann man in erheblichem Maß Material- und Fertigungskosten sparen. Ein weiterer Vorteil ist, dass man sich durch ihren Einsatz unter Umständen mehrere Prototypen- und Versuchsdurchläufe während der Konstruktions- und Entwicklungsphase eines Gerätes oder einer Einheit sparen kann.
Und wie läuft diese ab?
Der Konstrukteur gibt möglichst voll umfänglich alle technischen Gegebenheiten an, wie Anordnung von eingesetzten Halbleiterbauelementen, deren technische Details, geometrische Einbauverhältnisse. Damit diese vertraulichen Informationen entsprechend geschützt sind, wird oft eine gegenseitige Vertraulichkeitserklärung unterzeichnet. So ist sichergestellt, dass speziell während Entwicklungsphasen neuer Technologien oder neuer Geräte keine Informationen unbefugt an die Öffentlichkeit gelangen. An Hand der aufgegebenen Daten wird mit Hilfe einer Software eine Simulation durchgeführt.
