Grundlagen zur Kühlung elektronischer Systeme

Grundlagen zur Kühlung
elektronischer Systeme

Moderne Hochleistungselektronik braucht Kühlung. Die Fertigung von dafür geeigneten Druckgusskühlkörpern lohnt sich aufgrund der hohen Werkzeugkosten erst bei hohen Stückzahlen. Gefragt sind Lösungen, die ebenso leistungsfähig sind und gleichzeitig bereits in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden können. Modular aufgebaute lüftergestützte Hochleistungskühlkörper ermöglichen die Realisierung individueller Lösungen, ohne hohe Werkzeugkosten aufbringen zu müssen.
Landläufig wird angenommen, dass Kühlkörper der Abfuhr der durch Verlustleistung in einem elektronischen Bauelement erzeugten Wärme dienen. Tatsächlich jedoch ist ihre Aufgabe die Vergrößerung der Halbleiteroberfläche und damit die Verteilung der Bauteiltemperatur auf eine wesentlich größere Oberfläche. Dadurch sinkt die Temperatur des Halbleiters und seine Lebensdauererwartung steigt. Wird nicht gekühlt, altert und versagt das Bauteil nach kürzester Zeit.

Theoretische Grundlagen der Wärmeleitung

Die in Wärme umgesetzte Verlustleistung eines elektronischen Bauelements errechnet sich aus dem materialabhängigen Wärmeleitkoeffizienten , der Bauteilgeometrie (Grundfläche A und Länge ) und der Temperaturdifferenz T über die Länge bzw. zwischen dem Kühlkörper und der ihn umgebenden Luft nach der Formel:

P = · A/ · T

Durch die Materialabhängigkeit des Wärmeleitkoeffizienten unterscheiden sich die verschiedenen Stoffe hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit. So leitet Kupfer mit einem -Wert von 394W/(m · °C) die Wärme etwa doppelt so schnell wie Aluminium, das lediglich über einen Wärmeleitkoeffizienten von 222W/(m · °C) verfügt. Und Wasser ( = 0,60W/(m · °C)) leitet Wärme bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit gut 20 Mal schneller als Luft ( = 0,026W/(m · °C)). Daraus ergibt sich logisch die Eignung der Materialien als Kühlkörper. Luft ist relativ ineffizient. Ein wassergekühltes Kupferelement ist dagegen eine extrem effiziente Kühllösung. Die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und ein Maß für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers ist sein Wärmewiderstand Rth. Er gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Grad Celsius erforderlich sind, um die Wärmeleistung von einem Watt zu übertragen und errechnet sich aus der oben genannten Formel. Demnach ist

Rth = /· bzw. Rth = T/P

Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung. Ein idealer Kühlkörper besäße einen Wärmewiderstand von Rth=0. Damit wäre die Temperaturdifferenz T zwischen dem Kühlelement und der ihn umgebenen Luft ebenfalls gleich Null und die Ankopplung ideal. Doch Metalle wie Kupfer oder Aluminium und Gase bzw. Luft verhalten sich bei Erwärmung völlig unterschiedlich. Wird ein metallischer Festkörper erhitzt, beginnen seine Atome um ihre feste Ruhelage im Kristallgitter zu schwingen. Diese Schwingungen werden bei extremer Hitze so stark, dass die Atome ihre Gitterplätze verlassen. Das Metall schmilzt. In Luft bzw. Gasen erzeugt Wärme dagegen eine geradlinige Bewegung der Luftmoleküle. In Bewegung gesetzt, stoßen die einzelnen Moleküle zusammen und geben ihren Bewegungsimpuls weiter. Auf diese Weise steigt mit zunehmender Temperatur des Gases die (mittlere) Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Da überdies Festkörper eine wesentlich höhere Dichte, also Atome pro Volumeneinheit, aufweisen als ein Gas, kann die Steigerung der Atomschwingung bei Wärmezufuhr sehr schnell an die Nachbaratome weitergegeben werden. Bei Gasen müssen die Moleküle wesentlich größere Distanzen zurücklegen, um ein benachbartes Molekül zu treffen und ihm seine höhere Geschwindigkeit durch Stoß zu übertragen. Demzufolge leiten Festkörper Wärme besser als Gase. Damit lassen sich die wesentlich höheren -Werte von Aluminium und Kupfer gegenüber Luft (und Wasser) erklären – und auch die Notwendigkeit zur aktiven Kühlung.

Kühlungsarten

Bei Kühlkörpern kann Wärme nur in unmittelbarer Nähe der Grenze zwischen Feststoff und Umgebungsluft abgegeben werden. Diese Sperrschicht beträgt weniger als eintausendstel Millimeter (1/1000mm). Durch das Wegführen der Wärme von der Quelle sinkt die Sperrschichttemperatur. Bei der passiven Kühlung geschieht dies durch natürliche Konvektion: Die erwärmte Luft steigt unmittelbar an der Grenze ‚Festkörper/Gas‘ auf und wird durch die nachfolgende, kühlere Luft ersetzt. Diese Art der Kühlung wäre ideal, weil es die Anzahl der Bauteile in einem elektrischen Gerät und damit den Wartungsaufwand reduziert. Leider reicht dieser Kühleffekt in vielen Applikationen jedoch nicht aus. Um die Temperatur deutlicher zu senken, muss die erwärmte Luft aktiv vom Festkörper weg bewegt und gegen kühlere Luft ausgetauscht werden. Dies geschieht in der Praxis durch auf den Kühlkörper montierte Lüfter. Für viele Anwendungen mit Hochleistungselektronik reicht jedoch selbst diese Kühlungsart nicht aus. Dann sind Lösungen auf der Basis von Flüssigkeitskühlkörpern gefragt, die die entstehende Wärme mit Hilfe von Flüssigkeit ‚wegschwemmen‘.

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