Wärmeableitgehäuse für Embedded-Systeme
Maßgeschneidertes Entwärmungskonzept und flexibles Design
Embedded-Systeme sind oft in drangvoller Enge untergebracht und erfordern daher Gehäuse, die für eine zuverlässige Entwärmung sorgen. Doch wie müssen Gehäuse beschaffen sein, die dies leisten? Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, um den unterschiedlichsten Anwendungen gerecht zu werden.
Embedded-Systeme sind in Industrieanwendungen und technischen Produkten allgegenwärtig. Trotz ihrer meist begrenzten Aufgabe ist ihr störungsfreies Arbeiten essenziell für den reibungslosen Betrieb vieler technischer Prozesse. Ein Faktor für Fehlfunktionen ist der Temperaturstress, dem die Leistungskomponenten ausgesetzt sind. Zwar enthalten Embedded-Systeme nur eine reduzierte Anzahl von Elektronikkomponenten, aber wegen des begrenzten Bauraums ist es trotzdem oft problematisch, die Wärme, die sie erzeugen und die sich im Gehäuseinneren staut, an die Umgebung abzuleiten. Speziell entwickelte Wärmeableitgehäuse (auch als Kühlrippengehäuse bezeichnet) schützen nicht nur vor Schmutz und Feuchtigkeit, sondern sorgen zudem für eine effiziente Entwärmung.
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Aluminium zur Verhinderung von Temperaturstress
Zur Verhinderung temperaturbedingter Ausfälle ist es besonders wichtig, die vom Hersteller angegebene maximal zulässige Sperrschichttemperatur der Leistungskomponenten nicht zu überschreiten. Eine Möglichkeit zur Entwärmung der Leistungskomponenten ist der Einbau zusätzlicher Lüfter. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass die Gehäuse entsprechend größer dimensioniert werden müssen. Eine Alternative ist die Verwendung von Gehäusen, die aus einem Material mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften gefertigt sind. Die Entwärmung beruht dabei auf der freien Konvektion. Mittels einer thermischen Kontaktierung der Leistungskomponenten mit dem Gehäusekörper gelangt die Wärme in den Gehäusekörper und wird dort verteilt. Die Wärme bewegt sich durch den natürlichen Wärmefluss von den Bereichen mit hoher Temperatur zu den Bereichen mit niedriger Temperatur, um über die Außenseite des Gehäusekörpers abgeführt zu werden. Die thermische Leistung des Gehäusekörpers ist hier von entscheidender Bedeutung. Sie hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Oberflächengröße des Gehäusekörpers ab.
Die Hauptkomponenten der meisten Gehäuse von Fischer Elektronik bilden stranggepresste Profile, die aus der Aluminium-Knetlegierung EN AW 6060 hergestellt werden. Diese Legierung verfügt über eine Wärmeableitfähigkeit von bis zu 210 W/(mK). Zudem lässt sie sich leicht umformen, ohne dabei an Festigkeit einzubüßen. EN AW 6060 eignet sich deshalb besonders gut für das Strangpressverfahren, das die kostengünstige Herstellung von Profilen sowohl mit einfachen als auch mit komplexen Konturen ermöglicht. So lassen sich beispielsweise Gehäuseprofile mit einer außenliegenden Kühlrippengeometrie herstellen. Diese für Wärmeableitgehäuse typische Kühlrippengeometrie dient einer Maximierung der Gehäuseoberfläche und unterstützt die ohnehin schon gute Wärmeableiteigenschaft des Aluminiums.
Diverse modulare Bauweisen für diverse Anwendungen
Stranggepresste Aluminiumprofile bilden die Basis innovativer Wärmeableitgehäuse, weil sie eine robuste und stabile Struktur schaffen und zudem zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen.
Die Profilhalbschalen spezieller Embedded-Gehäuse verfügen beispielsweise neben der außenliegenden Kühlrippengeometrie über innenseitige T-Nute für schiebbare Vierkantmuttern oder Gewindestreifen, die einer Befestigung der Motherboards mittels längenvariabler Abstandsbolzen dienen. In den Profilschenkeln integrierte Führungsnute ermöglichen die Aufnahme ungenormter Leiter- oder Montageplatten mit einer Stärke von 1,6 mm und in verschiedenen Breiten. Eine Bodenplatte und stirnseitige, an die Profilkontur angepasste Deckelplatten vervollständigen den Gehäuseaufbau. Optional ist das in drei Größen erhältliche Gehäuse mit Lüftungsschlitzen im Bodenblech, mit einer Klammerbefestigung für die Montage an einer Hutschiene oder mit anschraubbaren Befestigungslaschen für die Wand- oder Deckenmontage erhältlich. (Bild 1)
Bei Gehäusekonstruktionen, deren Profilhalbschalen über keine Kühlrippen verfügen, sorgt ein einschiebbarer Kühlkörper für die Wärmeableitung. Das umfassende Sortiment an Kühlkörperprofilen von Fischer Elektronik eröffnet Kunden die Chance, den Kühlkörper an das Kühlkonzept anzupassen. Eine Variante dieser Gehäusekonstruktion, die mit stoßfesten Kunststoffrahmen und integrierten rutschhemmenden Standfüßen ausgestattet ist, ermöglicht die Nutzung als Tischgehäuse. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Verwendung von Kunststoffen (UL 94 V-0) die schwer entflammbar sind und den höchsten Standard für Brennbarkeit erfüllen. (Bild 2)
Kombinationsgehäuse: Effiziente Entwärmung kombiniert mit funktionellen Konturelementen
Die modulare Bauweise von Gehäusen, deren Grundkörper sich aus zwei gegeneinander gesteckten Profilhalbschalen zusammensetzt, sorgt für eine schnelle Installation der elektronischen Komponenten und vereinfacht zudem deren Wartung und Reparatur. Die Fixierung der Profile erfolgt mittels der front- und rückseitig an die Profile angeschraubten Deckelplatten. Besonders hervorzuheben ist hierbei das Konzept sogenannter Kombinationsgehäuse. Sie bestehen aus einer »Kombination« zweier Halbschalenprofile gleicher oder unterschiedlicher Kontur und Höhe, die aus einem breiten Profilsortiment ausgewählt werden können. Darunter befinden sich auch Halbschalenprofile, die über die zur Wärmeableitung notwendigen Kühlrippen verfügen.
Kunden bietet sich hier die Möglichkeit, ein Kühlrippenprofil mit einem gleichen oder mit einem anderen Profil zu kombinieren und so ein individuelles Wärmeableitgehäuse zu erstellen. Erfordert ein Wärmeableitgehäuse beispielsweise eine sichere Installation von Transistoren, bietet sich eine Kombination mit einer Gehäuseschale an, die über eine eigens dafür designte Kontur verfügt. Eine Einrast-Transistorhaltefeder hält die Transistoren dabei fest und zuverlässig an ihrem Platz. Für eine schnelle und einfache Montage auf einer Tragschiene gemäß DIN EN 60715 TH 35 eignet sich eine Kombination mit einer Profilschale, die über eine integrierte Tragschienenbefestigung verfügt. Für eine sichere Wand- oder Deckenmontage wiederum sorgt eine Kombination mit einer Profilschale, die mit Befestigungslaschen versehen ist. Unabhängig davon, für welche Kombination sich ein Anwender entscheidet, verfügen alle Halbschalenprofile über Führungsnute zur Aufnahme von 100-mm-Europakarten. Je nach Profilhöhe variiert dabei deren Anzahl. (Bild 3)
Seitenwandprofilgehäuse: Flexibilität in der Gehäusebreite
Setzt sich der Gehäusetubus aus zwei mit Kühlrippen versehenen Seitenwandprofilen sowie Deck- und Bodenblech zusammen, lässt sich das Gehäuse in der Breite ebenso wie in der Länge flexibel herstellen. Die Deck- und Bodenbleche sowie die front- und rückseitigen Deckelplatten lassen sich problemlos in verschiedenen Abmessungen fertigen. Kunden können die Gehäuse dadurch außer in Standardgrößen auch in kundenspezifischen Breiten für genormte und ungenormte Formfaktoren bestellen. (Bild 4)
Blechschalengehäuse: Flexibilität in Design, Größe und Wärmeableitwerten
Blechschalengehäuse sind eine beliebte Wahl als Tisch-, Pult- und Tragschienengehäuse, weil sie sich preisgünstig und mit vielen individuellen Gehäuseparametern fertigen lassen. Aluminiumbleche sind mittels des Fertigungsverfahrens »Abkanten« relativ leicht umformbar und ermöglichen somit eine große Flexibilität im Design der Gehäuseschalen. Blechschalengehäuse, die als Wärmeableitgehäuse fungieren müssen, bestehen aus einer Blechunterschale mit einem integrierten Kühlkörper. Auch hier lässt sich der Kühlkörper an das kundenspezifische Kühlkonzept anpassen. Für die sichere Befestigung der Leiterplatte befinden sich in der Unterschale fest eingepresste Gewindebuchsen, deren Position und Höhe ebenso frei wählbar sind wie die Gehäuseparameter selbst. (Bild 5)
Ermittlung eines geeigneten Wärmeableitgehäuses
Unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Platzes ist für die Selektion eines geeigneten Wärmeableitgehäuses dessen Wärmewiderstand ausschlaggebend. Je mehr Leistung abgeführt werden soll, desto kleiner muss der Wärmewiderstand des Gehäuses ausfallen. Zur Ermittlung eines geeigneten Wärmeableitgehäuses beziehungsweise dessen maximalen Wärmewiderstands müssen daher Faktoren wie die maximale Leistung, die maximale Sperrschichttemperatur und der Wärmewiderstand des Halbleiters sowie die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Ebenso entscheidend ist der Wärmewiderstand der Verbindungsfläche zwischen Halbleiter und wärmeableitendem Bauteil. Die Verbindungsfläche sollte nicht durch Lufteinschlüsse gestört werden. 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.
Der Wärmewiderstand eines Wärmeableitgehäuses bzw. eine Kühlkörpers wird nach folgender Formel berechnet:
Theta i = maximale Sperrschichttemperatur des Halbleiters
Theta u = Umgebungstemperatur (hier sollte ein Zuschlag von 10-30 °C berücksichtigt werden)
P = Die am Halbleiter anfallende maximale Leistung [W]
RthG = innerer Wärmewiderstand des Halbleiters [K/W]
RthM = Wärmewiderstand der Verbindungsfläche zwischen Halbleiter und wärmeableitendem Bauteil [K/W]
RthK = Wärmewiderstand des Kühlkörpers bzw. der Gehäuseschale
Die von Gehäuseherstellern zur Verfügung gestellten Rth-Grafiken geben den Wärmewiderstand eines Gehäuses abhängig von der Gehäuselänge an (Bild 6). Das Ablesen der Rth-Werte ermöglicht Anwendern eine bessere Einschätzung der effektiven Wärmeableitung eines Gehäuses. Dennoch ist es ratsam, das thermische Verhalten eines Systems mittels einer computergestützten Wärmesimulation schon während der Entwicklungsphase zu analysieren, um sicherzustellen, dass ein thermisches Management den Anforderungen entspricht.
Fazit
Um möglichst vielen Anwendungen für Embedded-Systeme eine passende Umhausung bieten zu können, bietet Fischer Elektronik ein breites Sortiment von Wärmeableitgehäusen mit verschiedenen Dimensionen und modularen Bauweisen an. Nach Bedarf ermöglicht der große Maschinenpark von Fischer Elektronik eine kundenspezifische Modifikation der Gehäuse. Standardmäßig sind Wärmeableitgehäuse in den Oberflächenausführungen naturfarben eloxiert (ME) und schwarz eloxiert (SA) erhältlich. Aber auch andere Eloxalfarben, Lackierungen und Pulverbeschichtungen sowie verschiedene Beschriftungsverfahren sind realisierbar.
Die Autorin:
Bettina Lochen ist als staatlich geprüfte Technikerin im Bereich Gehäuseentwicklung bei der Fischer Elektronik GmbH & Co. KG tätig.
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