Für ein qualitativ hochwertiges elektronisches Bauteil ist eine hohe Lebensdauer unabdingbar. Zu hohe Temperaturen sind häufig der Grund für hohe Ausfallraten. Ein auf die Anwendung abgestimmtes Wärmemanagement ist deswegen unverzichtbar. Ausschlaggebend für die Auswahl des Kühlkörpers sind unter anderem das Material, das Herstellungsverfahren und die Ausrichtung und Geometrie des Kühlkörpers. Berücksichtigt werden muss außerdem seine Oberfläche.
Kosten, Gewicht, die Bearbeitbarkeit und die thermische Leitfähigkeit sind ausschlaggebend für die Materialauswahl. In den meisten Fällen wird für die Kühlkörperherstellung Aluminium als Werkstoff verwendet. Kupfer (E-Cu58) ist mit einer Dichte von 8.933 kg/m³ deutlich schwerer und auch wesentlich teurer als Aluminium mit einer Dichte von 2.700 kg/m³. Kupfer besitzt im Vergleich zu Aluminium allerdings einen deutlich höheren Wärmeleitwert von 380 W/mK. Aluminium kommt nur auf 220 W/mK.
Konvektion, Konduktion und Radiation
Zur Berechnung eines Kühlkörpers müssen die drei Größen Konvektion, Konduktion und Radiation berücksichtigt werden.
Bei der Konvektion handelt es sich um den Wärmetransport eines Körpers zu einem sich bewegenden Fluid (Flüssigkeit, Gas). Sie übernimmt bei den meisten Anwendungen den größten Anteil an der Wärmeübertragung. Die Gleichung für die Konvektion lautet: q=h∙AS∙∆Tconv
q = Wärmeübertragung [W]
h = Wärmeübergangskoeffizient [W/m²K]
As = Wärmeabgebende Oberfläche [m²]
∆Tconv = Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und der umgebenden Luft [K]
Konduktion, oder auch Wärmeleitung, ist der Wärmetransport innerhalb eines Körpers. Berechnet wird die Konduktion mit folgender Gleichung: q=k∙A∙∆Tcond∙1/l
k = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK]
A = Querschnittsoberfläche [m²]
∆Tcond = Temperaturunterschied zwischen Oberfläche
und umgebender Luft [K]l = Distanz der Wärmeübertragung innerhalb des
Körpers [m]
Wärmestrahlung oder Radiation, ist elektromagnetische Strahlung. Die Formel für sie lautet: q=ε∙σ∙A∙(TS4-Tα4)
ε = Oberflächenemission
σ = Stephan-Boltzmann-Konstante (5,6703∙10-8W/m2K4)
A = Querschnittsoberfläche [m2]
TS = Oberflächentemperatur [K]
Tα = Umgebende Lufttemperatur [K]
Die Temperaturunterschiede zwischen der Oberflächentemperatur und der Temperatur der umgebenden, stehenden Luft (Betriebsumgebungstemperatur) ist in den meisten Anwendungen sehr gering. Die Wärmestrahlung spielt deswegen, in Abhängigkeit des Temperaturbereichs, eher eine geringe Rolle. Je größer der Temperaturunterschied zwischen Umgebungs- und Kühlkörpertemperatur ist, desto effektiver ist die Entwärmung. Die Betriebsumgebungstemperatur, wie auch der Temperaturunterschied, sind bei der Entwärmung wichtige Faktoren. Je höher die Temperaturdifferenz desto besser kann die Wärme abgeführt werden.
Kühlkörperausrichtung
Neben den einzelnen Temperaturen spielt bei der Auswahl des Kühlkörpers auch seine Ausrichtung eine große Rolle. Diese hängt natürlich von den genauen Parametern der Anwendung ab. Die Ausrichtung sollte man am besten bereits vor der Auslegung des Entwärmungskonzepts festlegen. Bei einer Ausrichtung der Kühlrippen parallel zur Luftströmung, also parallel zur Gravitation, arbeitet der Kühlkörper am effektivsten. Begünstigt wird das durch den Kamineffekt. Sobald die Kühlkörperoberfläche die Wärme an die umgebende Luft abgibt, entsteht eine natürliche Konvektion. Die warme Luft steigt aufgrund des Dichteunterschiedes - warme Luft ist leichter als kalte Luft - nach oben. Von unten kann bei einem nach unten geöffneten Kühlkörper kalte Luft angesogen werden. Der Temperaturunterschied ist dadurch immer möglichst groß.
Bei einer Drehung des Kühlkörpers um 90° gibt er zwar weiterhin Wärme an die Luft ab, seine Effektivität verringert sich allerdings deutlich. In diesem Fall kann die Wärme nicht ungehindert nach oben entweichen. Es kommt zu keinem Kamineffekt, ein Wärmestau entsteht. Ist bei einer Anwendung die Ausrichtung nicht klar definiert, sollte bei der Auslegung immer vom ungünstigsten Fall ausgegangen werden. Eine untergeordnete Rolle spielt die Ausrichtung bei der Verwendung von Lüftermotoren, also erzwungener Konvektion. Die Luftgeschwindigkeit der erzwungenen Konvektion überlagert die der natürlichen Konvektion.
Herstellverfahren
Die Auswahl des geeigneten Herstellungsverfahrens für den Kühlkörper ist von der Anwendung abhängig. Dabei kommt es vor allem auf die benötigten Stückzahlen an. Feststehende, komplexe Geometrien können im Druckgussverfahren hergestellt werden. Das Druckgussaluminium (EN AC AlSi8Cu3) wird dazu in vorgegebene Formen gegossen und härtet in diesen aus. Da die Herstellungskosten sehr niedrig sind, verwendet man das Verfahren besonders bei sehr hohen Stückzahlen. Ein großer Nachteil ergibt sich allerdings aus dem Material selbst. Druckgussaluminium besitzt nur eine Wärmeleitfähigkeit von 110 bis 130 W/mK. Die Entwärmung ist deshalb nur halb so gut, wie zum Beispiel bei stranggepressten Kühlkörpern.
Beim Strangpressverfahren wird eine Aluminiumlegierung, zum Beispiel EN AW 6060 T66 (AlMgSi0,5), im warmen Zustand durch eine Matrize gepresst. Nach dem Abkühlprozess können die Aluminiumprofilstangen dann bearbeitet und auf die gewünschte Länge gesägt werden.
Leichter herstellen mit Säge-Stanz-Automaten
Aluminium ist eines der besten Materialien für eine spanende Bearbeitung. Für die Kühlkörperherstellung ergeben sich daraus viele verschiedene Möglichkeiten und große Vorteile. Zum Beispiel können in den stranggepressten Aluminiumprofilen, mittels Fräszentren, Konturen, Bohrungen und Gewinde angebracht werden. Eine andere Bearbeitungsmöglichkeit sind Säge-Stanz-Automaten. Sie kommen oft bei Leiterplattenkühlkörper zum Einsatz und können mehrere Schritte automatisch hintereinander durchführen. Beispielsweise sorgen sie dafür, dass die Kühlkörper die gewünschte Länge habe oder stanzen Ausbrüche und Arretierungspunkte aus. Danach fallen die Bauteile in Auffangbehälter und lassen sich direkt weiter verarbeiten. Zum Einlöten in Leiterplatten werden Lötstifte oder Gewindebolzen eingedrückt.
Oberflächenveredelung
Eine Oberflächenbehandlung ist notwendig, um die Korrosion, die bei Aluminium in Verbindung mit Luft entsteht, zu verhindern. Außerdem bestimmt die Behandlung auch noch die Oberflächenemission. Sie muss bei der Berechnung der Wärmestrahlung berücksichtigt werden. Der Oberflächenemissionsfaktor liegt bei einem anodisierten Kühlkörper bei 0,77. Zum Vergleich: Ein idealer schwarzer Körper verfügt über eine Oberflächenemission von 1. Die oben erwähnte Aluminiumlegierung EN AW 6060 T66 ist sehr gut zur Anodisierung geeignet. Lackieren oder pulverbeschichten sind weitere Möglichkeiten zur Oberflächenbehandlung. Je nach Farbe verändert sich die Oberflächenemission.
Bei der Auswahl des richtigen Kühlkörpers sind alle diese Aspekte zu berücksichtigen. Die Kosten der verschiedenen Materialien müssen mit ihren Vor- und Nachteilen in der Bearbeitung und der Herstellung abgewägt werden. Entwickler greifen bei der Auswahl des Kühlkörpers vermehrt nicht nur auf die Erfahrung der Kühlkörperhersteller zurück, sondern setzen auch auf computergestützte Wärmesimulationen. Diese können die Entwicklungszeit und die entstehenden Kosten stark
reduzieren.
