Thermische Simulation Per Software zum optimalen Kühlkörper

Nicht immer ist ein Standardkühlkörper die optimale Wahl. In solchen Fällen lässt sich mithilfe einer Simulationssoftware auf Basis thermodynamischer Rahmendaten zunächst die applikationsgerechte Kühllösung berechnen und ihre Wirkung simulieren. Erst danach wird der Kühlkörper produziert.

Elektronische Bauteile bestimmen unseren privaten und beruflichen Alltag. Im Computer, im Auto, in der Maschinensteuerung, der Gebäudetechnik - überall sorgen elektronische Steuerungen für die korrekten Funktionen. Deren Prozessoren vereinen immer höhere Leistung auf immer weniger Raum. Doch wo Strom fließt, entstehen Verluste, die sich in Form von Wärme bemerkbar machen. Um Prozessorleistung und -lebensdauer zu maximieren, muss diese Wärme abgeführt werden. Das geschieht durch passive oder aktive Kühlung mit passenden Kühlkörpern oder Lüftern.

Die thermische Leistung eines Kühlkörpers ergibt sich im Wesentlichen aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und seiner Masse. Klassische Kühlkörpermaterialien sind Aluminium und Kupfer. Aluminium punktet durch sein geringes Gewicht. Kupfer dagegen ist ein exzellenter Wärmeleiter, bei höherem Gewicht und deutlich höheren Kosten.

Aktiv oder passiv?

Bei der Wahl eines geeigneten Kühlkörpers muss der Entwickler relativ früh festlegen, ob das kühlende Bauteil eine passive, aktive Lüfter- oder gar Flüssigkeitskühlung erfordert. Die Wirkung passiver Kühlkörper beruht auf dem Prinzip der Konvektion. Diese arbeiten mit einer großen Oberfläche, über welche die Wärme abgeführt wird. Dabei gilt: Gestanzte Kühlkörper sind nicht so leistungsstark wie Profilkühlkörper. Diese werden wahlweise als stranggepresste Profile oder Druckgusskühlkörper aus Aluminium angeboten. Dabei besitzen stranggepresste Aluminiumprofile aufgrund der anderen Legierungszusammensetzung bessere thermische Eigenschaften als Druckgusskühlkörper, lassen sich jedoch nur durch eine aufwendige CNC-Bearbeitung in ebenso komplexen Geometrien herstellen. Da zum Fertigen von Druckgusskühlkörpern spezielle Werkzeuge beziehungsweise Gussformen nötig sind, deren Anfertigung sehr kosten-intensiv ist, lohnt sich die Herstellung von Druckgusskühlkörpern erst bei größeren Stückzahlen.

Bei aktiven Kühlkörpern führt ein Lüfter eine bestimmte Luftmasse an dem Kühlkörper vorbei, um die entstehende Wärme forciert abzuführen. Aufgrund dieser Zwangskühlung arbeiten die Kühlkörper etwa sechsmal so effektiv wie ihre passiven Pendants mit gleicher Masse und können entsprechend kompakter gebaut werden. Auch Flüssigkeitskühlkörper zählen zu den aktiven Kühlkörpern. Sie kommen überall dort zum Einsatz, wo passive Kühlkörper und selbst Lüfterkühlung an ihre Grenzen stoßen. Eine typische Anwendung ist die Kühlung von Hochleistungsprozessoren. Diese liefern auf einer Fläche von 10 cm² eine Abwärme, die einer Leistung von 100 W entspricht. Damit übertrifft ihre Wärmestromdichte die eines herkömmlichen Küchenherdes - Tendenz steigend.

Auch die Oberfläche eines Kühlkörpers beeinflusst seine Leistung. So kühlen Aluminium-Stranggussprofile mit eloxierter Oberfläche bis zu zehn Prozent besser als unbehandelte Aluminiumprofile mit einer blanken Außenhaut. Neben dem Eloxieren, das die Kühlfähigkeit verbessert und die Leitfähigkeit eliminiert, ist auch das Chromatieren eine gängige Oberflächenveredlung. Sie verbessert die EMV-Eigenschaften des Kühlkörpers, erhält seine elektrische Leitfähigkeit und schützt ihn vor Korrosion. Auf die thermischen Eigenschaften hat sie jedoch genauso wenig Einfluss wie eine gegen Korrosion schützende Lackierung oder Pulverbeschichtung in beliebiger Farbe.

Randbedingungen für die Simulation

In der Regel wissen die Anwender aus Erfahrung, welche Art der Kühlung ihre spezielle Applikation benötigt. Wie genau der Kühlkörper jedoch zu dimensionieren und zu designen ist, das ergibt sich erst im Gespräch mit dem Produzenten des Kühlkörpers und aus einer thermischen Simulation. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils vorausberechnen.
Voraussetzung ist die Eingabe definierter thermodynamischer Randbedingungen. Dazu gehören zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen geometrische Einschränkungen, also der zur Verfügung stehende Platz, sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur.
Ob das zu kühlende Bauteil in einem Büro bei maximal +25 °C, in einem Kühlhaus bei -40 °C oder bei Arbeitstemperaturen von +70 °C beispielsweise in der Nähe von Motoren oder Lichtquellen zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur ΔT fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein. Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers (siehe Kasten »Berechnung des Wärmewiderstands«).

Berechnung des Wärmewiderstands 
Der Wärmewiderstand eines (Profil-)Kühlkörpers Rth berechnet sich nach folgender Gleichung:
Rth = ΔT/P - Rth,GM.
Dabei ist ΔT die Differenz zwischen maximaler Sperrschichttemperatur und Umgebungstemperatur, P die maximale Leistung in Watt, die am zu kühlenden Bauteil anfällt, und Rth,GM die Summe aus dem inneren Wärmewiderstand des zu kühlenden Halbleiters und dem Wärmewiderstand der Montagefläche. Mit dem errechneten Wert von Rth kann eine Vorauswahl möglicher (Profil-)Kühlkörper getroffen werden.  

 

Rth gibt an, wie viel Temperaturdifferenz in Kelvin erforderlich ist, um die Wärmeleistung von 1 W abzuführen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.

Erzwungene Konvektion

Elektronische Hochleistungssysteme, wie sie beispielweise in Kraftwerken, Telekommunikationssystemen oder in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, müssen aktiv gekühlt werden. Verwendung finden hier spezielle Hochleistungsprofilkühlkörper mit Lüftern, wie sie der CTX-Partner Pada Engineering (siehe Kasten »CTX Thermal Solutions - die Kühlkörpermarke von Contrinex«) mit seinen »SuperPower«-Systemen entwickelt hat (Bild 2).

»CTX Thermal Solutions« - die Kühlköpermarke von Contrinex 
Unter der Marke »CTX Thermal Solutions« bietet Contrinex ein breites Angebot an standardisierten und applikationsspezifischen Kühllösungen an. CTX-Kühlkörper finden sich in weißer wie in brauner Ware, in der Automobilelektronik und im Bereich der regenerativen Energien sowie in industriellen Netzteilen, Computern und in der Haustechnik. Die Kühlkörper reichen von nur wenigen Millimeter großen und einigen Gramm leichten Kühlelementen für SMD-Bauteile bis hin zu zwei Meter langen gewichtigen Kühlkörpern für Wechselrichter in der Eisenbahntechnik.
Auch die Kühlungsarten sind so unterschiedlich wie die Anwendung selbst: von natürlicher Konvektion über Luftkühlung mit Gebläsen bis hin zu Wärmetransport durch Flüssigkeiten oder Heatpipes zur Kühlung von Halbleiterelementen sowie aktiven oder passiven Lösungen für die Kühlung von Industrie-PCs und Embedded Systemen.

 

Bei diesem System werden wie in einem Baukasten die spezifischen Kühlkörper aus einzelnen Lamellen zusammengestellt und mit Lüftern versehen. Daraus ergeben sich nahezu unbegrenzte Möglichkeiten in der Kühlkörpergestaltung. Wie genau der Kühlkörper für den jeweiligen Anwendungsfall zu designen ist und wie die Lüfter dimensioniert werden müssen, wird über eine thermische Simulation festgelegt.

Müssen beispielsweise drei Leistungshalbleiter mit einer Einzelleistung von je 750 W, insgesamt also 2250 W, gekühlt werden, wählt der Kunde zunächst ein SuperPower-Profil in der maximal möglichen Geometrie und Größe, zum Beispiel den Typ »LP6M« mit einer Gesamtbreite von 400 mm und einer Länge von 300 mm. Dieses Profil soll mit vier Axiallüftern betrieben werden (Bild 1). Die maximale Umgebungstemperatur betrage in diesem Fall +50 °C.
Diese Daten, also Einzelleistung der Halbleiter, Typ und Größe des Kühlkörpers und die Umgebungstemperatur, fließen in die thermische Simulation ein. Diese zeigt genau, ob die gewählte Kühllösung den Zweck erfüllt und wie groß die Lüfterleistung sein muss. In dem vorliegenden Beispiel ergibt sich eine maximale Oberflächentemperatur des Kühlkörpers von +94 °C und einen Arbeitspunkt von 58 Pa Staudruck bei einer geforderten Luftleistung von 98 m³/h pro Lüfter (insgesamt 392 m³/h). Entsprechend groß muss die Lüftung gewählt werden. Natürlich kann die Simulation auch umgekehrt genutzt werden. Dann dient sie dazu, bei einer bekannten Lüfterleistung den passend dimensionierten Kühlkörper auszuwählen.

Kosten reduzieren durch Simulation

Speziell bei der Entwicklung eines neuen Produkts kann eine solche thermische Simulation dazu beitragen, mögliche thermische Probleme frühzeitig zu erkennen. Zudem trägt sie durch die Optimierung des Kühlkörperdesigns maßgeblich dazu bei, Kühlkörpermaterial und -gewicht einzusparen. 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, wie bei hohen Stückzahlen dem Druckguss statt einer aufwendigen CNC-Bearbeitung, lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Lösungen die Kosten reduzieren. Ein weiterer entscheidender Vorteil: Durch die thermische Simulation entfällt in der Regel der kostspielige Part der Prototypenfertigung oder er wird deutlich reduziert. Contrinex erzielt nicht zuletzt deswegen heute den überwiegenden Teil des Kühlkörpergeschäfts mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten.

Über den Autor:

Georg Laskowsky ist Sales Manager für CTX Thermal  Solutions bei Contrinex.

 CTX-Produktportfolio 
Leiterplatten-Kühlkörper für alle gängigen Halbleitergehäusegrößen 
Clip-Kühlkörper zur einfachen und schnellen Befestigung
Profil-Kühlkörper, CNC-bearbeitet
Hochleistungs-Kühlkörper in Modulbauweise mit hoher Packungsdichte
Flüssigkeits-Kühlkörper in Form von Kühlplatten oder hochtemperaturverlötetem Al bzw. Al und Cu
Druckgusskühlkörper inkl. Projektierungs-, Bearbeitungs-, Oberflächenveredelungs- und Lieferservice
DC- und AC-Lüfter
DC-Gebläselüfter für Projektoren, Luftbefeuchter oder Haushaltsgeräte
Industrielle Lüfter zur Kühlung von Computern, Bürotechnik, Medizintechnik etc.
CPU-Kühler für Intel- und AMD-Prozessoren