Landläufig wird angenommen, dass Kühlkörper der Abfuhr der durch Verlustleistung in einem elektronischen Bauelement erzeugten Wärme dienen. Tatsächlich jedoch ist ihre Aufgabe die Vergrößerung der Halbleiteroberfläche und damit die Verteilung der Bauteiltemperatur auf eine wesentlich größere Oberfläche. Dadurch sinkt die Temperatur des Halbleiters und seine Lebensdauererwartung steigt. Wird nicht gekühlt, altert und versagt das Bauteil nach kürzester Zeit.
Theoretische Grundlagen der Wärmeleitung
Die in Wärme umgesetzte Verlustleistung eines elektronischen Bauelements errechnet sich aus dem materialabhängigen Wärmeleitkoeffizienten λ, der Bauteilgeometrie – Grundfläche A und Länge l – und der Temperaturdifferenz ∆T über die Länge l beziehungsweise zwischen dem Kühlkörper und der ihn umgebenden Luft nach der Formel:
P = λ * (A / l )* ∆T (1)
Durch die Materialabhängigkeit des Wärmeleitkoeffizienten unterscheiden sich die verschiedenen Stoffe hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit. So leitet Kupfer mit einem λ-Wert von 394 W/(m * °C) die Wärme etwa doppelt so schnell wie Aluminium, das lediglich über einen Wärmeleitkoeffizienten von 222 W/(m * °C) verfügt. Und Wasser (λ = 0,60 W/(m * °C)) leitet Wärme bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit gut 20-mal schneller als Luft (λ = 0,026 W/(m * °C)). Daraus ergibt sich logisch die Eignung der Materialien als Kühlkörper. Luft ist relativ ineffizient. Ein wassergekühltes Kupferelement ist dagegen eine extrem effiziente Kühllösung.
Die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und ein Maß für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers ist sein Wärmewiderstand Rth. Er gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Grad Celsius erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 Watt zu übertragen und errechnet sich aus der oben genannten Formel. Demnach ist
Rth = l/A•λ beziehungsweise Rth = ∆T/P (2)
Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung. Ein idealer Kühlkörper besäße einen Wärmewiderstand von Rth = 0. Damit wäre die Temperaturdifferenz ∆T zwischen dem Kühlelement und der ihn umgebenen Luft ebenfalls gleich Null und die Ankopplung ideal. Doch Metalle wie Kupfer oder Aluminium und Gase beziehungsweise Luft verhalten sich beim Erwärmen völlig unterschiedlich.
Wird ein metallischer Festkörper erhitzt, beginnen seine Atome um ihre feste Ruhelage im Kristallgitter zu schwingen. Diese Schwingungen werden bei extremer Hitze so stark, dass die Atome ihre Gitterplätze verlassen. Das Metall schmilzt. In Luft oder Gasen erzeugt Wärme dagegen eine geradlinige Bewegung der Luftmoleküle. In Bewegung gesetzt, stoßen die einzelnen Moleküle zusammen und geben ihren Bewegungsimpuls weiter. Auf diese Weise steigt mit zunehmender Temperatur des Gases die (mittlere) Geschwindigkeit der Gasmoleküle.
Festkörper besser als Gas
Da überdies Festkörper eine wesentlich höhere Dichte, also Atome pro Volumeneinheit, aufweisen als ein Gas, kann die Steigerung der Atomschwingung bei Wärmezufuhr sehr schnell an die Nachbaratome weitergegeben werden. Bei Gasen müssen die Moleküle wesentlich größere Distanzen zurücklegen, um ein benachbartes Molekül zu treffen und ihm seine höhere Geschwindigkeit durch Stoß zu übertragen. Demzufolge leiten Festkörper Wärme besser als Gase. Damit lassen sich die wesentlich höheren λ-Werte von Aluminium und Kupfer gegenüber Luft (und Wasser) erklären – und auch die Notwendigkeit zur aktiven Kühlung. Bei Kühlkörpern kann Wärme nur in unmittelbarer Nähe der Grenze zwischen Feststoff und Umgebungsluft abgegeben werden. Diese Sperrschicht beträgt weniger als Eintausendstel Millimeter (1/1.000 mm). Durch das Wegführen der Wärme von der Quelle sinkt die Sperrschichttemperatur.
Bei der passiven Kühlung geschieht dies durch natürliche Konvektion: Die erwärmte Luft steigt unmittelbar an der Grenze „Festkörper/Gas“ auf und wird durch die nachfolgende, kühlere Luft ersetzt. Diese Art der Kühlung wäre ideal, weil es die Anzahl der Bauteile in einem elektrischen Gerät und damit den Wartungsaufwand minimiert. Leider reicht dieser Kühleffekt in vielen Applikationen jedoch nicht aus. Um die Temperatur deutlicher zu senken, muss die erwärmte Luft aktiv vom Festkörper weg bewegt und gegen kühlere Luft ausgetauscht werden. Dies geschieht in der Praxis durch auf den Kühlkörper montierte Lüfter. Für viele Anwendungen mit Hochleistungselektronik reicht jedoch selbst diese Kühlungsart nicht aus. Dann sind Lösungen auf der Basis von Flüssigkeitskühlkörpern gefragt, die die entstehende Wärme mit Hilfe von Flüssigkeit „wegschwemmen“.
Thermische Simulation
Die für die jeweilige Applikation ideale Kühllösung und deren Dimensionierung werden in der Regel mit Hilfe einer thermischen Simulation ermittelt. Sie hilft, mögliche thermische Probleme frühzeitig zu erkennen, und trägt durch die Optimierung des Kühlkörperdesigns maßgeblich zum Einsparen von Kühlkörpermaterial und -gewicht bei. Stellt sich beispielsweise heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies in nicht unerheblichem Maß Material- und Fertigungskosten. Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Lösungen Kosten reduzieren.
Ein weiterer entscheidender Vorteil: Durch die thermische Simulation entfällt in der Regel der kostspielige Part der Prototypenfertigung oder er wird reduziert. Das ist speziell bei der Entwicklung eines neuen Produkts hilfreich. Neben der thermischen Simulation sorgen auch der modulare Aufbau vieler Kühlkörper sowie eine große Auswahl an applikationsspezifisch konfigurierbaren Standardmodulen für die Wirtschaftlichkeit der Kühllösungen.
Individuelle Lösungen entwickeln
Ein Beispiel für modular aufgebaute Lüfter gestützte Hochleistungskühlkörper ist die Superpower-Serie des CTX-Partners Pada. Sie ermöglicht individuelle Lösungen zu entwickeln, ohne dafür Werkzeugkosten aufwenden zu müssen. Aufgrund des modularen Aufbaus aus einzelnen Aluminium-Rippen lässt sich die erforderliche Kühloberfläche exakt an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. Kühlkörperlängen und -breiten bis zu 600 mm sind möglich. Auch die Dicke der Kühlkörperbasis, die Höhe der einzelnen Rippen und deren Abstände sowie die Art und Beschaffenheit der Flanken lassen sich individuell anpassen. Konzentriert sich eine besonders hohe Leistung in einem sehr kleinen Bereich, so verbessert eine Kupferplatte, die zusätzlich auf der Oberseite des Kühlelements montiert ist, die Ableitung der Wärme.
Dank eines bewährten Verfahrens zur Bindung der einzelnen Rippen verfügen die modular aufgebauten Rippenkühlkörper über die gleichen mechanischen Eigenschaften wie extrudierte Profile, benötigen für die Herstellung jedoch weniger Zeit. Gleichzeitig sind diese bis zu 40 Prozent leichter und kleiner als herkömmliche Kühlkörper mit der gleichen thermischen Leistung. Bezogen auf das Volumen liegt damit die thermische Leistung der modular aufgebauten Kühllösungen um rund 30 Prozent über derjenigen von traditionellen Profilkühlkörpern.
Die Hochleistungskühlkörper können in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden. Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist damit unproblematisch. Das belegen entsprechende Tests nach IEC 77-1. Zu den typischen Abnehmern der Superpower-Kühlkörper zählen Energieerzeuger, die Datenverarbeitung, Telekommunikationssysteme sowie Traktionsinverter, UPS-Systeme oder die Medizintechnik.
