Überblick über die Grundlagen und Prinzipien des Kühlkörper-Designs

Für Elektronikingenieure ist es wichtig, sich an die Grundlagen zu erinnern und daran zu denken, wie sie unsere Arbeit beeinflussen. Wenn es um Wärmemanagement und Kühlkörper geht, sind drei wesentliche physikalische Effekte zu bedenken: Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Strategien für das Kühlen moderner Leiterplatten beruhen auf einer Kombination dieser drei Einflüsse, weshalb Sie einen umfassenden Ansatz für die Wärmeregulation auf Ihrer Platine in Betracht ziehen sollten.

Diese drei physikalischen Eigenschaften beeinflussen Dinge wie die Platzierung und Ausrichtung der Kühlrippen, die Auswahl von Wärmeleitpasten (TIM) und die Oberflächenbehandlung der Kühlkörper. Für eine ganzheitliche Kühlungsstrategie sollten Sie als Systementwickler einige Designgrundlagen kennen und wissen, wie Sie einen Kühlkörper und andere Wärmeableitungsstrategien für Ihre Leiterplatte einsetzen.

Designgrundlagen für Kühlkörper auf Leiterplatten

Bei den Designgrundlagen für Kühlkörper geht es zunächst darum, die richtige Bauform zu finden, um sie an leistungsstarken und damit heißen Bauteilen zu montieren, die dann mit anderen Kühlstrategien gepaart werden müssen. Es gibt viele handelsübliche Kühlkörper mit leicht unterschiedlichen Formfaktoren, Massen und Materialien. Auch die Bauteilehersteller liefern oder empfehlen Kühlkörper für ihre Produkte (z. B. die Hersteller von GPUs und CPUs). Sie können davon einen für die Kühlung Ihrer Leistungsbauteile auswählen oder per CAD-Modell einen anwendungsspezifischen Kühlkörper entwerfen. Wenn Sie sich für Letzteres entscheiden, sollten Sie die Kühlkörperempfehlungen des Herstellers als Grundlage für Ihre eigene Kühlkörperkonstruktion nutzen.

Zunächst ist es wichtig zu verstehen, dass nicht alle Bauteile einen Kühlkörper benötigen. Manchmal sind diese viel größer als die Komponenten, die sie kühlen sollen, und nicht alle Bauelemente erzeugen so viel Wärme, dass sie den Einsatz eines Kühlkörpers rechtfertigen. Einige IC-Gehäuse (z. B. QFN) haben eine im Chip integrierte Kühlfläche, die die Wärme direkt in das Substrat ableiten soll.

Das mit dem Chip verbundene Pad auf diesem QFN-Gehäuse trägt zur Wärmeübertragung auf das PCB-Substrat bei.

Wenn Sie einen handelsüblichen Kühlkörper auswählen oder einen eigenen entwerfen müssen, sollten Sie sich überlegen, wie Sie sich die drei grundlegenden Mechanismen der Wärmeübertragung zunutze machen können.

Konvektion

Natürliche und erzwungene Konvektion sorgen für einen Luftstrom durch den Kühlkörper. Die natürliche Konvektion benötigt dabei keinen Lüfter oder äußere Einflüsse, um die Luft zu bewegen. Stattdessen beruht sie auf der Konvektionsströmung, die auf natürliche Weise in einem unterschiedlich aufgeheizten Fluid auftreten. Dieser passive Prozess beansprucht keine Energie, ist aber in der Kühlwirkung träger. Die Strömung in einem natürlichen Konvektionsschema ist ziemlich schwach. Wird sie also in irgendeiner Weise behindert, verlangsamt das die Kühlung erheblich. Beim Platzieren des Kühlkörpers sollten Sie ihn daher so ausrichten, dass die Luft parallel zu den Kühlrippen aufsteigen kann. Zudem sollte Ihr Gehäuse geeignete Einlass- und Auslassöffnungen haben, damit die Luft ungehindert durch das Gehäuse strömt. Die Kühlrippen selbst sollten Sie nicht zu dicht anordnen, da sie sonst die Konvektion behindern.

Erzwungene Konvektion ist genau das Gegenteil: Sie braucht eine äußere Kraft zum Bewegen der Luft, beispielsweise einen Lüfter. Dieser muss zwar mit Energie versorgt werden, aber im Gegenzug erhält man eine schnellere Kühlung. Interessanterweise wirkt sich die gewählte Methode auf Ihr Kühlkörper-Design aus. Um die Wärmeableitung zu maximieren und das Optimum aus der erzwungenen Konvektionswärmeübertragung herauszuholen, sollten Sie folgende Tipps beim Entwurf bzw. bei der Auswahl eines Standardkühlkörpers beachten:

• Turbulente Strömung: Wenn die Strömung durch eine schmale Öffnung eingeengt wird, verharrt sie in einer Laminarströmung. Dabei wird der Wärmeaustausch zwischen der Wärmesenke und der umgebenden Luft aufgrund der mangelnden Durchmischung begrenzt. Deshalb sollte der Luftstrom in den turbulenten Bereich übergehen, um die natürliche Durchmischung zur besseren Wärmeübertragung zu unterstützen. Stellen Sie dazu sicher, dass Ihr Kühlkörper genügend Platz zwischen den Lamellen hat, damit der Luftstrom aus der turbulenten Phase herauskommt.
• Beachten Sie die Strömungsrichtung: Es mag banal klingen, aber die Luft sollte durch den Kühlkörper und weg vom Rest der Platine strömen, statt über benachbarte Bauteile. Aus diesem Grund werden oftmals Kühlkörper auf einem Bauteil montiert und über ein Wärmeableitungssystem zum Auslass geleitet.

Diese Kühlkörper werden häufig in Desktop-Computern und Servern eingesetzt. Ein Lüfter an der Oberseite des Kühlkörpers treibt den Luftstrom durch einen Auslass zur Außenseite des Gehäuses.

Der Umgang mit erzwungener Konvektion ist einfacher und zugleich komplexer. Zwar ist eine ausreichende Luftströmung garantiert, aber es geht um ihre Optimierung. Wie schon erwähnt, sollte Ihr Kühlkörper so ausgerichtet sein, dass die Luft parallel zu den Kühlrippen strömt. Die Konstruktion der Kühlrippen kann etwas heikel werden. Die Hauptschwierigkeiten bei der erzwungenen Konvektion sind der Druckabfall und die Verluste. Wenn Ihre Kühlrippen zu groß oder zu dicht platziert sind, verursachen sie einen massiven Druckabfall auf dem Kühlkörper, was zu einem verlustbehafteten System führt. Um die perfekte Größe und Anordnung der Kühlrippen herauszufinden, müssen Sie einige Berechnungen anstellen.

Wärmeleitung

Die Wärmeleitung transportiert Wärme mittels direkten Körperkontaktes von heißen in kalte Bereiche eines Systems. Dies ist wahrscheinlich die einfachste Methode, um die Wärmeenergie von einem Bauteil abzuführen. Bei der Wärmeleitung ist zu überlegen, wohin die Wärme übertragen wird. Die Rippen eines Kühlkörpers sind dafür verantwortlich, die Wärme von einer Komponente weg und in Kontakt mit der Umgebungsluft zu bringen. Der optimale Ort für einen Kühlkörper ist ein Hotspot, z. B. ein leistungsstarker integrierter Schaltkreis (IC) oder ein Heatspreader, der die Wärme von mehreren Quellen sammelt.

Die Geschwindigkeit, mit der Wärme abgeführt wird, hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers ab, die wiederum von der des verwendeten Werkstoffs bestimmt wird. Unter den gebräuchlichen Metallen haben Silber, Gold, Kupfer und Aluminium die höchste thermische Wärmeleitzahl (in dieser Reihenfolge). Häufig werden Legierungen eingesetzt, da sie zumeist eine geringere Dichte aufweisen, was die Wärmeleitfähigkeit erhöht.

Um die Wärmeübertragung bei der Auslegung eines Kühlkörpers zu verbessern, benötigen Sie zwischen Bauteil und Kühlkörper eine gut wärmeleitende Verbindung. Hier sorgt eine Wärmeleitpaste oder ein anderes thermisches Schnittstellenmaterial für Haftung bei hoher Wärmeüberleitung. Die Auswahl ist groß, und Sie sollten sich genau informieren, um herauszufinden, welches Angebot für Sie das richtige ist.

Diese Wärmeleitpads werden an einem Kühlkörper befestigt.

Auch die Platzierung des Kühlkörpers ist wichtig. Schließlich wollen Sie die Kühlung maximieren und gleichzeitig den Platzbedarf minimieren. Deshalb wäre es vermutlich am besten, überhaupt keinen Kühlkörper verwenden zu müssen. Eine Alternative zu sperrigen Kühlkörpern auf ICs kann die Verwendung im Bauteil integrierten Pads sein. Dieses Pad lässt sich mittels Durchkontaktierungen mit dem Leiterplattensubstrat und mit Masseflächen verbinden. Dadurch wird die Wärme über die gesamte Platine verteilt und die Junction-Temperatur in der Leiterplatte wird gleichmäßiger. Bei Bedarf können Sie dann immer noch einen Kühlkörper verwenden, um die Wärme an die Luft abzugeben.

QFN-Gehäuse mit freiliegendem Kontaktfeld. Die thermischen Durchkontaktierungen sind mit einer Innenlage verbunden, über die die Wärme vom Bauteil abgeleitet wird.

Wärmestrahlung

Unter Wärmestrahlung versteht man die Umwandlung von Objektwärme in Strahlungswärme. Sie entsteht einfach, weil ein Objekt eine Temperatur hat. Sobald das Objekt Wärmeenergie abgibt, sinkt seine Temperatur. Die Wahl des richtigen Materials und der richtigen Oberflächenbeschaffenheit für Ihren Kühlkörper sorgt für die nötige zusätzliche Wärmeabstrahlung, um die Temperatur zu senken. Darüber hinaus bestimmen Form und Masse des Werkstoffs, wie viel Wärme von Ihrem Kühlkörper abgestrahlt werden kann.

Einfach nur den Kühlkörper schwarz zu streichen, reicht da nicht aus. Hier geht es um den Emissionsgrad bei bestimmten Wellenlängen und nicht einfach um die Farbe eines Kühlkörpers. Genauer gesagt, muss der Emissionsgrad bei tiefen Infrarotwellenlängen maximiert werden. Eloxiertes Aluminium ist ein Material, das häufig in Kühlkörpern eingesetzt wird, da es sowohl ein hohes Emissionsvermögen als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dieser Werkstoff kann zudem kostengünstig stranggepresst und eloxiert werden.

Darüber hinaus führt ein Kühlkörper mit größerem Oberflächen-/Volumenverhältnis mehr Wärme durch Konvektion ab. Je größer die Oberfläche, desto besser strahlt Ihr Kühlkörper. Manchmal führt eine Oberflächenvergrößerung jedoch zu einer Verringerung der Konvektion, sodass bei der Konstruktion von Kühlkörpern ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen Konvektion, Wärmeleitung und Wärmeabstrahlung gefunden werden muss.

Eloxierte Kühlkörper bieten mehrere Vorteile: höheres Emissionsvermögen, niedrige Kosten und thermische Beständigkeit gegen Korrosion.

Verwenden Sie MCAD-Tools in Ihrer Konstruktionssoftware zur Platzierung Ihres Kühlkörpers

Wenn Sie einen Kühlkörper auf Ihrer Baugruppe einsetzen und untersuchen möchten, wie er sich in ein komplexeres System einfügt, können Sie MCAD-Tools in Ihrer PCB-Designsoftware verwenden, um Kühlkörper auf Ihre Bauteile zu platzieren. Exportieren Sie einfach Ihr Kühlkörper-Design als STEP-Datei aus einem mechanischen CAD-Tool. Importieren Sie es dann in Ihre PCB-Designsoftware, um eine 3D-Ansicht Ihres Kühlkörpers in Ihrer PCB zu erhalten. Auf diese Weise können Sie prüfen, ob es zu Bauteilkollisionen kommt und er in Ihr Gehäuse passt.

Wenn Sie Ihren eigenen Kühlkörper entwerfen oder nach einem handelsüblichen Kühlkörper suchen, sollten Sie diese anderen Konstruktionsrichtlinien beachten, insbesondere, wenn Sie planen, Ihren Kühlkörper mit einem Lüfter zu kombinieren.

• Reduzierung der Geräuschentwicklung von Lüftern auf Ihrer Leiterplatte.
• Ein Vergleich aktiver Kühlungstechniken für elektronische Geräte
• EMI von Kühlkörpern und was Sie dagegen tun können

Wenn Sie diese Grundlagen des Kühlkörper-Designs befolgt haben, können Sie die PCB-Layout-Tools und die nativen MCAD-Funktionen in Altium Designer verwenden, um Ihre Leiterplatte zu erstellen und Ihren Kühlkörper in 3D zu platzieren. Die branchenüblichen Designfunktionen in Altium Designer bieten Ihnen alles, was Sie brauchen, um Ihr Kühlkörper-Design zu platzieren und mechanische Abmaße zu verifizieren. Altium Designer auf Altium 365 bietet ein bisher nie dagewesenes Maß an Integration in der Elektronikindustrie, die bislang ausschließlich der Welt der Softwareentwicklung vorbehalten war.

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