Kühlkörper für Embedded-Plattformen

Entwärmen von SMARC-Modulen

29. März 2023, 8:30 Uhr | Von Thomas Windeck

SMARC-Modul mit einem Stiftkühlkörper von CTX.

Computermodule im Formfaktor SMARC 2.1 kommen für HMI-Systeme, Panel-PCs oder IoT-Gateways zum Einsatz. Avnet Embedded bietet hierfür ein komplettes Spektrum an Embedded-Modulen an. Als strategischer Partner liefert CTX Thermal Solutions für die Module seit Jahren Kühlkörper und Heatspreader.

SMARC-Module von Avnet Embedded kommen in vielen Embedded-Applikationen zum Einsatz. Darunter in Human Machine Interfaces (HMIs) an Ladesäulen für Elektrofahrzeuge oder in Medizingeräten, beispielsweise Beatmungsgeräten. Weitere Beispiele sind Steuerrechner und Anzeigesysteme in öffentlichen Verkehrsmitteln, IIoT-Gateways, die Heimautomation oder die industrielle Automation. Um für jede Applikation innerhalb kurzer Zeit eine genau zugeschnittene Hardware zu entwickeln, nutzen Entwickler zunehmend standardisierte Basiskomponenten.

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Anwendungsvielfalt auf einer Modulbasis

Vor rund einem Jahr stellte Avnet Embedded seine zweite »SimpleFlex«-Plattform vor, die sich gut für HMI- und IoT-Applikationen eignet. Sie lässt sich mit lediglich geringfügigen Konfigurationsänderungen schnell an eine Vielzahl anderer Applikationen anpassen. Hierbei ist beispielsweise die Plattform »MSC SM2S-MB-EP5« für den Einsatz mit dem breiten Portfolio an x86- und Arm-basierten SMARC-2.0-Modulen von Avnet Embedded konzipiert. Sie deckt den gesamten Leistungsbereich von Low Power bis High Performance ab.

Die SMARC-2.0-basierte SimpleFlex-Plattform lässt sich mit Displays und Touchscreens von Avnet Avnet Embedded kombinieren, um ein komplettes HMI-System aufzubauen. Zudem lässt sie sich mit zehn verschiedenen SMARC-Modulen ausstatten und bietet eine große Schnittstellenvielfalt sowie Erweiterungsmöglichkeiten für zusätzliche Optionen. Zur einfachen Systemintegration stehen verschiedene Heatspreader und Kühlkörper von CTX Thermal Solutions zur Verfügung. Auch das neue SMARC-2.1-Modul mit Elkhart-Lake-Prozessor ist mit den Kühlkörpern von CTX bestückt.

Anwendungsspezifisches Kühlkörperdesign

Embedded-Systeme sollten möglichst kompakt, leistungsstark und mobil sein – das ist herausfordernd für Entwickler und für die eingesetzten Kühlkörper. Schließlich müssen ebenfalls die Kühlkörper immer kleiner und leistungsstärker sein, um die mit der Prozessorleistung steigende Verlustleistung schnell und zuverlässig abzuführen.

Lediglich eine effiziente und effektive Kühlung sichert die Funktion der Systeme dauerhaft. Als erfahrener und kompetenter Spezialist für applikationsspezifische Kühlkörper und Wärmemanagement entwickelt CTX passgenaue Applikationen zur aktiven oder passiven Kühlung von industriellen Computeranwendungen wie Embedded-Systemen und Industrie-PCs (IPCs). In der Regel wissen die Entwickler aus Erfahrung, welche Art der Kühlung ihre spezielle Applikation benötigt. Wie der Kühlkörper jedoch dimensioniert und designt werden soll, ergibt sich erst im Gespräch mit einem Kühlkörperspezialisten wie CTX und gegebenenfalls aus einer thermischen Simulation.

Die Hardware-Spezifikation der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) legt für SMARC-Module eine maximale Leistungsaufnahme von bis zu 15 W fest. Sie ist entsprechend als Wärmeverlustleistung wieder abzuführen. Hierauf werden die unterschiedlichen Module mit den Kühlkörpervarianten optimiert. Zudem legt der Standard für Smart Mobility ARChitecture, kurz SMARC, klare Formfaktoren, Bohrbilder und Maße für die zu verwendenden Kühlkörper und Heatspreader fest.

Diese sollen den Entwicklern der da-rauf basierenden Embedded-Systeme eine einfache, standardisierte Entwicklungsprozedur und Auftragsvergabe an die Zulieferer ermöglichen. Trotzdem ist für jedes Projekt kundenspezifisches Engineering gefragt. Weil der Leiterplattenaufbau jeder neuen Modulserie variiert, müssen die Spezialisten von CTX beispielsweise an der Kühlerrückseite genaue Detailanpassungen vornehmen, um Kontaktflächen und Wärmeübergänge von Prozessoren und anderen SMD-Komponenten auf den Kühler zu optimieren.

Strategischer Entwicklungspartner

CTX bietet neben einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis einen sehr guten Service. Aufgrund der inzwischen mehrjährigen Zusammenarbeit besteht ein guter, partnerschaftlicher Kontakt zwischen Einkäufern und Entwicklern von Avnet Embedded und den Spezialisten von CTX.

Für das neue SMARC-Modul »SM2S-EL« gibt es je nach Ausführung vier verschiedene Kühlkörpervarianten von CTX. Für manche Module wurden sogar bis zu neun Varianten umgesetzt. Hierbei kommt es hauptsächlich auf die Einbausituation im Endgerät an. Ist das Modul an einen kundenspezifischen Kühlkörper angebunden, beispielsweise ein großer Kühlkörper als Gehäuserückwand, kommt eine Heatspreader-Variante zum Tragen. Ist im Gerät genügend Platz und ein konstanter Luftstrom vorhanden, beispielsweise durch einen Gehäuselüfter, ist ein sogenannter Pin-Block-Kühlkörper sehr gut geeignet. Die »Pin Blocks« sind eine Formvariante der CTX-Stiftkühlkörper und haben den Vorteil, dass der Luftstrom nicht zwingend aus einer Richtung kommen muss. Hierdurch ist die Einbaulage der Module mit diesem Kühlkörper variabler als mit einem klassischen Finnen- oder »Pin-Fin«-Kühlkörper.

Zuverlässige Entwärmung garantiert

Die kundenspezifisch designten und gefertigten Rippen- und Stiftkühlkörper der CTX Thermal Solutions aus Nettetal dienen der zuverlässigen Entwärmung von Mikroprozessoren, Embedded-Systemen und LED-Applikationen. Sie werden im Kaltfließpressverfahren aus Reinaluminium »Al 99,5/1070« gemäß DIN EN 1050 und 1070 hergestellt. Aufgrund der Rohmaterialeigenschaften und der aufgrund des Herstellungsverfahrens bedingten hohen Materialdichte erreichen sie mit über 220 W/mK deutlich bessere Wärmeleitfähigkeiten als vergleichbare Kühlkörper, die durch Extrusion oder Druckgussverfahren hergestellt werden.

Auf Wunsch kann CTX zudem Kühlkörper mit einer Kombination aus Stiften und Rippen bis zu einer Kühlkörperhöhe von 80 mm herstellen. Das flexible Fertigen mit dem Kaltfließpressverfahren ermöglicht runde, quadratische und elliptische Kühlkörper und erlaubt Stiftdurchmesser von einem bis zu vier Millimetern bei Stiftkühlkörpern und Rippenstärken ab 0,6 mm bei Rippenkühlkörpern. Nicht zuletzt kann das Unternehmen die Oberflächen klar oder farbig eloxieren, pulverbeschichten und chromatieren.
Aufgrund der speziellen Stift- beziehungsweise Rippenform sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Luft als bei extrudierten Rippen möglich. Zusätzlich gewährleistet eine strömungsbegünstigende Anordnung der Kühlstifte bereits bei natürlicher Konvektion ein optimales Kühlverhalten. Die Kühlleistung der kaltfließgepressten Stift- und Rippenkühlkörper liegt aufgrund ihrer Materialeigenschaften und des besonderen Designs um 30 Prozent über der Leistung gleichdimensionierter Strangpresskühlkörper und um 40 Prozent über der vergleichbarer Druckgusskühlkörper. Mit diesen Leistungsmerkmalen sind CTX-Kühlkörper für zukünftige Embedded-Projekte mit Partnern wie Avnet Embedded eine gute Wahl.

Der Autor

Thomas Windeck

ist Sales Manager bei CTX und unterstützt das Sales-Team seit 2004. Zuvor hat Windeck erfolgreich eine Ausbildung zum Industrieelektroniker absolviert.