Praktische Tipps fürs Kühlmanagement Aktivkühlkörper korrekt entwerfen

Kühlkörper als passive Entwärmungsmaßnahme
Kühlkörper als passive Entwärmungsmaßnahme

SEPA Europe musste bei einem Kundenprojekt die Aufgabe lösen, die Verlustleistung eines FPGAs abzuführen. Da das Boarddesign festgelegt war, musste ein Kühlsystem entworfen, das mindestens 15 W Verlustleistung zuverlässig ableitet.

Der Kühlmanagement-Experte SEPA Europe wurde mit dem Projekt eines Kunden konfrontiert, bei dem auf einer bildverarbeitenden PCI-Express-Karte ein FPGA wirksam gekühlt werden musste. Es handelte sich dabei um die Weiterentwicklung eines laufenden Projektes, bei dem das FPGA und das gesamte Boarddesign unverändert blieb, jedoch die Taktfrequenz gesteigert werden musste. Als Folge dessen stieg die Verlustleistung des Bausteins von ca. 7 W auf 15 W.

Zu Beginn der Arbeit musste der Kunde erst einmal all jene technischen Zeichnungen und Rahmenbedingungen zur Verfügung stellen, die für eine Anpassung des – bereits vom Vorgängermodell – bestehenden Wärmemanagements genutzt werden konnten. Als nächstes wurden Tests mit dem bestehenden Kühlkonzept durchgeführt. Es war schnell klar, dass der bestehende Ansatz nicht zu einer zufriedenstellenden Lösung führen würde.

Der Kühlkörper hätte, wollte man an dem bisherigen Konzept festhalten, deutlich vergrößert werden müssen. Dem aber widersprachen die Rahmenbedingungen hinsichtlich der Einhaltung des PCI-Express-Standards in Bezug auf Abmessungen und Mindestabstände. Eine passive Lösung wie bisher war hinfällig; viermehr war ein Anblasen des Kühlkörpers unabdingbar.

Erste Tests mit provisorischen Laboraufbauten zeigten eine deutliche Reduzierung der Chiptemperatur schon bei moderaten Strömungsgeschwindigkeiten unter 3 m/s. Zum Einsatz kam dabei ein Axiallüfter in der Größe 40 × 40 × 10 mm³, der mit Blasrichtung Kühlkörper auf diesem befestigt worden war.

Lösungsansatz mit mehreren Optionen

Da wegen der bereits erwähnten Beschränkungen der Abmaße ein aufgesetzter Axiallüfter nicht in Frage kam (Bild 1), mussten andere Möglichkeiten getestet werden. Letztlich blieben nur zwei Ansätze offen:

  • Die seitliche Anordnung eines Radiallüfters in superflacher Bauweise
  • Das Versenken eines rahmenlosen Lüfters im Kühlkörper

Im vorliegenden Fall war für die seitliche Positionierung des Radiallüfters kein Platz. Die Lösung bestand vielmehr darin, den rahmenlosen Lüfter im Kühlkörper zu versenken. Hierzu erschien es sinnvoll, nicht komplett neu zu konstruieren, sondern bestehende Artikel zu verwenden und diese entsprechend zu adaptieren.

Ausgangspunkt war der bestehende Lüfter der SEPA-HFB44-Serie (Bild 2); der Kühlkörper aus Aluminium indes musste neu konstruiert und ausgetauscht werden. Ein Kühligel-Stiftkühlkörper bot sich hervorragend für dieses Fallbeispiel an, da er in nahezu jeder Form herstellbar ist. Durch das verwendete Reinaluminium besitzt dieser eine hohe Wärmeleitfähigkeit und erreicht bei entsprechender Anströmung hervorragende Wärmewiderstandswerte.

Bei vorgegebenen Bohrungen für die Befestigung auf der Leiterplatte ergab sich unter Berücksichtigung aller Restriktionen das in den Bildern 3a/3b dargestellte Kühlkörperdesign; in 3a mit und in 3b ohne Lüfter.