CTX Thermal Solutions Wärmemanagement für Embedded Systems

Die Anforderungen an Embedded Systeme steigen stetig und damit auch die dafür erforderliche Rechenleistung. Daher fallen immer mehr Verluste in einem immer kleineren Volumen an. Damit diese Systeme zuverlässig arbeiten und lange leben, sind ebenso kompakte wie effiziente Kühllösungen gefragt.

Embedded Systeme finden sich in der Industrie und in der Bahntechnik ebenso wie in Haushaltsgeräten. Sie sichern beispielsweise in Waschmaschinen den korrekten Ablauf der vorgegebenen Programme. Für die schnelle Abführung der Verlustleistung der Systeme sorgen spezielle CNC-gefertigte Kühlkörper für die aktive oder passive Kühlung. Dazu zählen Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes ebenso wie Kühlkörper mit Kupfer-Inlay sowie auch kühlende Gehäuselösungen. Dabei werden die Kühlkörper in der Regel direkt am Hotspot dort montiert, wo die Wärmeentwicklung am größten ist. Starke Hitze, die die Leistungsfähigkeit des Systems schwächt, kann so gar nicht erst entstehen.

Für Embedded Systeme und Industrie-PCs bieten sich unter anderem Kühllösungen mit integrierten Heatpipes an. Die flüssigkeitsdurchströmten Rohre steigern die Effizienz des Kühlkörpers deutlich, denn sie leiten die Wärme aus der heißen Bodenplatte in die kälteren Lamellen ab. Weitere Vorteile von Kühlkörpern mit Heatpipes sind neben der besseren Wärmeabfuhr auch die komplett lageunabhängige Montage dank der Kapillarwirkung der Lamellen, der geringere Wärmewiderstand als bei reinen Metallkühlkörpern sowie der überschaubare Platzbedarf der Kühllösung.

Eine weitere Lösung sind Kühlkörper mit Kupfer-Inlay. Kupfer besitzt mit 395 W/(m·K) die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle und kühlt damit noch besser als Aluminium, aus dem typischerweise Kühlkörper bestehen. Da Kupfer allerdings mit 8,92 g/cm³ auch deutlich schwerer ist als Aluminium (2,71 g/cm³), wird das Material in Kühlkörpern häufig mit Aluminium kombiniert. Beispiele hierfür sind Aluminium-Kühlkörper mit einem Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot oder Flüssigkeitskühlkörper aus einer Aluminiumplatte mit eingelegten Kupferrohren, durch die die Kühlflüssigkeit strömt. In diesem Fall sitzt das zu kühlende Bauteil direkt auf dem Kühlkörper und sorgt für eine schnelle Ableitung der Wärme.

Üblicherweise schützt das Gehäuse die Elektronik vor Staub und Berührung, aber es lässt sich auch zur Kühlung verwenden. Bei der effektiven Ableitung der Verlustleistung von Prozessoren oder Netzteilen eines Embedded-Systems spielt das Material der Gehäuse eine große Rolle. CTX Thermal Solutions bietet deshalb projektspezifische Gehäuse an, die eine gute Kühlung erreichen, da sie aus besonders wärmeleitfähigen Materialien wie Stahlblech, Aluminium, verzinktem Stahlblech oder Edelstahl bestehen. Zudem gewährleisten sie in der Regel eine gute elektromagnetische Abschirmung, um sowohl die Elektronik vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu schützen, als auch die Umgebung vor Abstrahlungen des Geräts zu sichern. CTX bietet nicht nur Metallgehäuse in Profil- und Stanzbiegetechnik an, sondern auch technische Aluminiumteile in projektspezifischer Ausführung.

Thermische Simulation als Basis

Die Auswahl der geeigneten Kühllösung erfolgt auf Basis von Kundendaten in Abstimmung mit dem Kühlkörper-Produzenten und anhand einer rechnergestützten thermischen Simulation (Bild 1). Damit lässt sich die Temperatur eines elektronischen Bauteils im Voraus berechnen. Hierfür müssen thermodynamische Rahmenbedingungen mit einbezogen werden, beispielsweise das Design und die zu erwartende Verlustleistung und die Bestimmung des Hotspots an der jeweiligen Komponente, dem Modul oder dem Chip. Auch die Größe des vorhandenen Bauraums sowie die für einen sicheren Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils fließen als Parameter in die Simulation mit ein. So lassen sich nicht nur Probleme bei der Produktentwicklung frühzeitig erkennen bzw. verhindern, sondern gegebenenfalls auch Kosten und Materialien beim Design des Kühlkörpers einsparen.

Um dem Kunden passgenaue Komponenten anzubieten, die den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendung gerecht werden, misst CTX Thermal Solutions dem Kundenservice große Bedeutung bei. So bietet das Handelshaus auf Wunsch auch in Blister verpackte Komplettlösungen aus dem jeweiligen projektspezifischen Kühlkörper und Isolierungen, Montagebolzen sowie Schrauben an.

Effiziente Kühltechnik für Leiterplatten

Allein für das Wärmemanagement an Leiterplatten hat CTX hunderte von Kühlkörpermodellen im Sortiment, deren Wärmewiderstände ein Spektrum von 6 K/W bis 72 K/W abdecken. Dazu zählen gestanzte Finger-, Aufsteck- und Kleinkühlkörper für die Kühlung von Bauteilen, die für die Durchsteckmontage konzipiert sind. Sie lassen sich mit Clips, Nieten, Lötstiften oder Schrauben am elektronischen Bauteil befestigen.