Konzepte zur Kühlung im Überblick
Effiziente Entwärmung, eine große Herausforderung!
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Fortsetzung, Optimierung bei der Kühlkörper-Auswahl
Optimierung bei der Kühlkörperauswahl
Eine Bedarfsermittlung des benötigten Platzes, Volumens, Bauraumes für den Kühlkörper sollte sofort bei der Entwicklung des Elektronik-Designs erfolgen, da die Berechnung der thermischen Belange direkt eine Bestimmung des Kühlsystems und damit der Baugröße nach sich zieht. Besonderheiten des thermischen Pfades müssen direkt berücksichtigt werden, weil nachträgliche Umarbeitungen vorgegebener Spezifikationen oft ärgerlich, zeitaufwändig und kostentreibend sind.
Bei einer passiven Entwärmung (freie Konvektion) mittels Rippenkühlkörper muss darauf geachtet werden, dass dieser den geometrischen Abmessungen des Halbleiters angepasst ist. Bei der Positionierung der Halbleiter ist darauf zu achten, die Kühlkörperkontaktfläche, meist Bodenseite, homogen zu nutzen, sodass der Wärmeeintrag flächig erfolgt. Für kleine Wärmeeintragsflächen (punktuell) oder transiente (zeitabhängige) Wärmeeinträge spielt auch das Kühlkörperdesign eine entscheidende Rolle. Zur effektiven Kühlung der elektronischen Komponenten ist es in solchen Anwendungsfällen sinnvoll, die entstehende Wärme schnell vom Bauteil aufzunehmen und diese an den Kühlkörper weiterzuleiten. Kontaktoberflächen mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur Wärmespreizung, z. B. aus Kupfer, die formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind, liefern hierzu Lösungsansätze. Unter Berücksichtigung des ermittelten Wärmewiderstandes und der Bauteilgröße der zu kühlenden elektronischen Komponente sollte beim Kühlkörperauswahlprozess je nach Applikation und Einbaubedingung grundsätzlich auf das richtige Verhältnis zwischen Kühlkörperbreite und -länge, Bodenstärke, Rippenhöhe sowie Rippenstärke, -anzahl und -abstand geachtet werden. Die optimale Einbaulage eines Kühlkörpers bei freier Konvektion (Bodenfläche vertikal) erfolgt nach dem Prinzip des Kamineffektes, wobei die warme Luft ungehindert durch Konvektionsströmung (Auftrieb) nach oben steigen kann. Alle weiteren Einbaupositionen sind mit Effizienz-Einbußen in der Kalkulation des thermischen Widerstandes zu berücksichtigen.
Bei einer Kühlkörperauswahl kann neben der Funktionalität und den mechanischen Gegebenheiten auch die Oberflächenbeschaffenheit ein Kriterium sein. Dabei sind ein dekoratives Aussehen und wärmetechnische Belange keine Ausschlusskriterien. Die Wärmeableitung bei Kühlkörpern erfolgt zumeist durch Konvektion, sprich: die Erwärmung erzeugt bei den an den Flächen angelagerten, benachbarten und umgebenden Luftmolekülen einen Auftrieb, weshalb diese an der erwärmten Oberfläche aufsteigen und die Wärme ableiten. Etliche Anforderungen an den Korrosionsschutz oder sogar an ein besonders dekoratives Aussehen haben durchaus Einfluss auf die Effizienz der Wärmeableitung.
Anodisierte (eloxierte) Oberflächen, sind, unabhängig von ihrer Einfärbung, durchaus sinnvoll. Neben der bekannten Korrosionsschutzwirkung wird dabei die Oberfläche im Nanometerbereich strukturiert und erhält alleine dadurch eine um ca. 8 bis 10 Prozent verbesserte Wärmeableitung bei freier Konvektion, wobei die Farbgebung der Eloxalschicht dabei zweitrangig ist. Selbstverständlich gilt der Einfluss nach dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz, mit Absorption und Emission, welches die Dielektrika, also auch Anodisationsschichten (Aluminiumoxid-Hydrat) als diffuse Strahler betrachtet. Bei niedrigeren Temperaturen kann das sogar als sogenannter grauer Strahler durchaus von mathematischer Relevanz sein. Temperaturabhängige, nichtlineare und Beugungseffekte relativieren das jedoch, wie messtechnisch ermittelte Wärmewiderstände gezeigt haben. Der relativ geringe Emissionsfaktor von ca. 0,55 bei Eloxalschichten bewertet das dann auch dem entsprechend. Anders verhält es sich bei lackierten Oberflächen bei denen ein Emissionsfaktor > 0,9 durchaus gegeben ist. Nun hat jedoch die Eloxalschicht als solche einen Wärmeleitwert, der ca. zehnfach niedriger ist als der der Grundschicht des Aluminiums. In bestimmten Anwendungsfällen ist es daher sinnvoll, im Montagebereich des elektronischen Bauteils, besonders bei großflächigen Halbleitertypen, die Eloxalschicht zwecks Reduzierung des thermischen Übergangswiderstandes zu entfernen.
Fazit: Die Herausforderung für die Entwärmung elektronischer Bauelemente bleibt trotz vieler neuer und guter Lösungsansätze bestehen. Durch die Miniaturisierung und die größere Komplexität der elektronischen Bauteile sowie durch die Zusammenfassung einzelner Funktionsbausteine zu einer Komponente wird der zu leistende Aufwand für die passende Entwärmung auch zukünftig stetig zunehmen. Die Möglichkeiten, die Einflussgrößen zur Verbesserung der Wärmeableitung zu optimieren, sind so gut wie erreicht und bringen in der Fortführung nur geringen Erfolg bei unverhältnismäßig hohem Aufwand. Halbleiterphysikalische Verbesserungen zur Reduzierung der Verlustwärme, also Wirkungsgradsteigerung der elektronischen Bauelemente und maßvolle Miniaturisierung, sind zumindest aus Sicht der Entwärmung unumgänglich.
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