Übermäßige Hitze kann diese beeinträchtigen und zu Fehlfunktionen oder Ausfällen führen. Ein gut gestaltetes thermisches Management ist daher essenziell, um die Lebensdauer von Embedded Systems zu gewährleisten. Speziell konstruierte Embedded Gehäuse, auch als Wärmeableitgehäuse bezeichnet, tragen dazu bei, die Wärme effizient abzuleiten und so ein Überhitzen der Elektronik zu verhindern.
Aufbau und Eigenschaften eines Wärmeableitgehäuses
Um der wachsenden Nachfrage von Elektronikgehäusen für die unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden, offerieren Gehäusehersteller, wie die Firma Fischer Elektronik, Gehäuse in verschiedenen Größen, Aufbauten und mit diversen zweckdienlichen Kontureigenschaften. Darunter befinden sich speziell für den Embedded-Systems-Bereich entwickelte Wärmeableitgehäuse.
Dieser Gehäusetyp ist üblicherweise modular aufgebaut. Der Gehäusekörper besteht aus einer Profilhalbschale, welche durch ein anschraubbares Bodenblech ergänzt wird. Zusammen mit den front- und rückseitigen Deckelplatten entsteht so ein geschlossenes und stabiles Gehäuse.
Zur ordnungsgemäßen und sicheren Implementierung der Elektronik enthält die Profilhalbschale funktionale Konturelemente. Innen liegende Führungsnuten ermöglichen beispielsweise ein einfaches Einschieben von Montage- oder Leiterplatten. T-Nuten dienen der Aufnahme von Gewindestreifen oder schiebbaren Muttern, zur Befestigung von Abstandbolzen, über die dann ebenfalls Montage- und Leiterplatten in einer flexiblen Höhe platziert werden können. Auf Wunsch können die Gehäuse zusätzlich mit Befestigungselemente ausgestattet werden.
Blechlaschen mit speziellen Aussparungen für Befestigungsschrauben garantieren selbst in einem Umfeld mit Vibrationsstörungen eine zuverlässige Wand- und Deckenmontage. Die schnelle und einfache Montage eines Gehäuses an eine Standard Tragschiene TS 35 nach EN 60715, gewährleistet ein stabiles Aluminiumprofil, das über eine spezielle Kontur und einer dort eingepressten Drahtformfeder aus rostfreiem Stahl verfügt.
Elektronische Komponenten, wie Prozessoren, Grafikkarten und Leistungstransistoren, erzeugen Wärme (Verlustleistung) während des Betriebs. Zur Vermeidung temperaturbedingter Fehlfunktionen, ist es oft wichtig, dass das Gehäuse über Lüftungsschlitze verfügt, die für eine Entwärmung sorgen. Kunden haben die Option das Bodenblech mit diesen Lüftungsschlitzen versehen zu lassen.
In der Regel ist ein Überschreiten der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur der Halbleiterbauteile allerdings nur vermeidbar, indem zusätzlich wärmeabführende Bauelemente eingesetzt werden. Eine Möglichkeit wären Lüfter zur Erhöhung der Luftzirkulation. Der Einsatz von Embedded Systems erfordert jedoch oft kompakte Gehäuse mit begrenztem Bauraum, die keinen Platz für Lüfter bieten. Zudem erzeugen Lüfter Geräusche, die in manchen Anwendungen, wie in medizinischen Geräten, unerwünscht sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass Lüfter bewegliche Teile enthalten, die Verschleißerscheinungen mit sich bringen. In rauen Umgebungen oder bei Vibrationen können diese anfällig für Ausfälle sein. Stattdessen empfiehlt sich der Einsatz von Kühlkörpern, deren Funktionsweise auf der freien Konvektion und dem natürlichen Wärmefluss basiert.Die Gehäuseschale eines Wärmeableitgehäuses fungiert als ein solcher Kühlkörper.
Mittels einer thermischen Kontaktierung der Gehäuseschale, mit der wärmeproduzierenden Leistungskomponente, erweitert sie die wärmeabgebende Oberfläche der Leistungskomponenten. Die Wärme gelangt durch die natürliche Wärmeleitung in den Gehäusekörper und wird dort verteilt. Der Wärmefluss bewegt sich von den Bereichen mit hoher Temperatur zu den Bereichen mit niedriger Temperatur, und wird schließlich über die Oberfläche der Gehäuseschale an die Umgebungsluft abgeleitet.
Wieviel Temperatur (Kelvin) pro Leistung (Watt) die Gehäuseschale maximal abführen kann, hängt von der Größe, der Geometrie und vor allem vom Material der Gehäuseschale ab. Der Vorteil von Aluminium zur Herstellung von Wärmeableitgehäusen liegt auf der Hand. Angesichts seiner hohen Wärmeleitfähigkeit von bis zu 210 W/(mK) tragen Aluminium-Gehäuse erheblich dazu bei, elektronische Systeme zu entwärmen. Aluminiumlegierungen wie EN AW 6060 oder EN AW 6063 zeichnen sich zudem durch eine hohe Festigkeit sowie Formbarkeit aus, und eignen sich aufgrund dessen besonders gut für das Strangpressverfahren. Mittels diesem Fertigungsverfahren erfolgt unter anderem die Herstellung von Gehäuseprofile mit komplexen Geometrien, wie beispielsweise außenliegende Kühlrippen. Ein weiteres typisches Merkmal eines effizienten Wärmeableitgehäuses.
Die Kühlrippen unterstützen die ohnehin schon gute Wärmeableiteigenschaft des Aluminiums, indem sie die Oberfläche der Gehäuseschale vergrößern. Eine größere Oberfläche bedeutet mehr Kontakt mit der umgebenden Luft, was die Wärmeableitung verbessert, da mehr Wärme von der Oberfläche des Kühlkörpers an die Umgebung abgestrahlt werden kann.
Voraussetzung für eine effiziente Wärmeableitung ist eine thermische Kontaktierung, die nicht durch Lufteinschlüsse gestört wird. Zur optimalen Anbindung der Leistungskomponenten mit der Gehäuseschale, ist die Verwendung von Wärmeleitmaterialien (TIM = Thermal Interface Materials) unerlässlich. Diese Materialien (Wärmeleitfolien, -pasten, -kleber etc.) eliminieren unerwünschte Lufteinschlüsse zwischen der Wärmequelle und der wärmeableitenden Gehäuseschale und ermöglichen somit einen verbesserten Wärmeübergang.
Zur Ermittlung eines geeigneten thermischen Managements sind folgende Faktoren von Bedeutung:
ϑi = maximale Sperrschichttemperatur der Leistungskomponente
ϑu = Umgebungstemperatur (hier sollte ein Zuschlag von 10-30 C° berücksichtigt werden)
P = Die am Halbleiter anfallende maximal Leistung [W]
RthG = innerer Wärmewiderstand des Halbleiters [K/W]
RthM = Wärmewiderstand der Verbindungsfläche zwischen Halbleiter und wärmeableitenden Bauteil [K/W]
RthK = Wärmewiderstand des Kühlkörpers bzw. der Gehäuseschale
Ausschlaggebend bei der Wahl eines optimalen Wärmeableitgehäuses ist dessen Wärmewiderstand. Ein niedrigerer Wert bedeutet eine effizientere Ableitung von Wärme, was für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Komponenten von entscheidender Bedeutung ist.
Der Wärmewiderstandes des Kühlkörpers beziehungsweise des Gehäuses wird wie folgt berechnet:
RthK = (ϑi - ϑu) / P - (RthG + RthM)
Rth-Grafiken sind äußerst nützlich, um die thermische Leistung eines Wärmeableitgehäuses abzulesen. Diese Grafiken geben den ausschlaggebenden Wärmewiderstand eines Gehäuses in Abhängigkeit der Gehäuselänge an. Durch das Ablesen der Rth-Werte können Ingenieure und Anwender die effektive Wärmeableitung eines Gehäuses besser einschätzen.
Da Embedded Systems von zahlreichen und sehr unterschiedlichen Rand- und Einbaubedingungen abhängen, gestaltet sich die Ermittlung eines passenden thermischen Managements oft als kompliziert. Thermische Simulationen und Tests sind sehr hilfreich, um das Verhalten des Systems unter verschiedenen Lastbedingungen zu analysieren. Mittels einer computergestützten Wärmesimulation können so verschiedene Szenarien schon während der Entwicklungsphase analysiert und optimiert werden, um sicherzustellen, dass ein thermisches Management den Anforderungen entspricht.
Modifikationen für Projektanforderungen
Trotz der schon vorhandenen, zweckdienlichen Konturelemente benötigen Anwender meist eine zusätzliche kundenspezifische Bearbeitung der Gehäuse. Modernste und Automaten ermöglichen eine individuelle Modifizierung aller Gehäusekomponenten nach Kundenvorgaben. Die Bearbeitung der Deckelplatten erfolgt vorzugsweise durch die mechanischen Trennverfahren „Stanzen“, „Nibbeln“ oder „Lasern“. Mittels dieser Verfahren lassen sich notwendigen Durchbrüche, zum Beispiel für Stecker, Stell- und Regelelemente et cetera, schnell und kostengünstig in die Deckelplatten realisieren. Das Implementieren von Nuten, Frästaschen oder Durchbrüchen mit einer sauberen Kantenglätte in die Deckelplatten sowie in den Gehäusehalbschale gewährleistet das Fertigungsverfahren Fräsen, welches sich durch eine hohe Toleranzgenauigkeit und planebenen Fräsflächen auszeichnet.
Oberflächenbeschaffenheit und Farbgebung
Die Qualität der Oberfläche und deren Farbgebung spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Wahl und Gestaltung eines Gehäuses. Wärmeableitgehäuse werden standardmäßig in den Oberflächenausführungen naturfarben eloxiert (ME) und schwarz eloxiert (SA) angeboten. Damit Kunden die Möglichkeit haben ihren Gehäusen eine individuelle Note zu geben, sind andere Farben auf Anfrage realisierbar. Für hoch dekorative Anwendungen empfiehlt sich vor dem Eloxieren ein Keramik- oder Glasperlenstrahlen. Diese Verfahren erzeugen eine mattfeine und äußerst ansprechende Oberflächenstruktur.
Eine EMV-gerechte Ausführung ist mit der elektrisch leitenden Passivierung „TP“ (TP = transparent passiviert) erreichbar. Zu betonen ist, dass diese Passivierung Titanfluoride enthält, anstelle von Chrom (VI)-haltigen Stoffen, und damit den strengen RoHs-Richtlinien entspricht. Aufgrund der Berührungsempfindlichkeit dieser Oberfläche werden die Gehäusekomponenten nach der Passivierung meist im zusammengebauten Zustand lackiert oder pulverbeschichtet. Auf diese Weise bleiben die sensiblen Kontaktflächen, sowie der Gehäuseinnenraum, elektrisch leitend, was positiv für die EMV ist.
Lackierungen und Pulverbeschichtungen empfehlen sich nicht nur zum Schutz einer transparenten Passivierung. Vor allem wenn elektronische Geräte unter erschwerten Umweltbedingungen arbeiten müssen, bieten sie eine erstklassigen Kratz- und Abriebfestigkeit, sowie eine hohe Schutzwirkung gegen Korrosion und Chemikalien.
Zur optischen Kennzeichnung eingebrachter Fräsungen und Ausstanzungen, sowie für Firmen- oder Produkt-Logos, stehen verschiedene Beschriftungsverfahren zur Verfügung. Diese sind der „Digitaler UV-Druck“, „Siebdruck“, „Tampondruck“, „Untereloxaldruck“ sowie eine Laserbeschriftung.
Fazit
Die zunehmende Verlustleistung sowie der immer kleiner werdende Bauraum von Embedded Systems, stellt eine Herausforderung an das thermische Management. Die Firma Fischer Elektronik nimmt diese Herausforderung an, und bietet eine Vielzahl von Gehäusen, die zur Entwärmung von elektronischen Systemen beitragen.
