Kühlkörper
Durch die fortschreitende Miniaturisierung oder auch Downscaling entstehen Herausforderungen für Entwickler für das Wärmemanagement. Integrierte Schaltkreise werden immer komplexer, sodass für das Entwärmungskonzept immer weniger Platz zur Verfügung steht und eine Kühllösung wichtig ist. Durch den geringen Platz ist es immer wichtiger, exakt das passende Zusammenspiel von Kühlkörper, wärmeleitendem Material und Flächennutzung für die Entwärmung zu finden, um die Ausfallraten zu minimieren und um einen hohen Lebenszyklus zu erreichen.
Kühlkörper liefern einem wärmeproduzierenden Bauteil eine größere Oberfläche zur Wärmeabgabe. Das Kühlmedium leitet die Wärme von dem Bauteil weg (Wärmeleitung). Die abgeleitete Wärme wird dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben. Damit der Wärmewiderstand so gering wie möglich bleibt, sollte das Material äußerst wärmeleitend sein. Außerdem sollte die Oberfläche groß und dunkel sein und bei der Montage sollte darauf geachtet werden, dass der Kühlkörper vertikal montiert wird (zur Unterstützung der Luftzirkulation).
Für die Wärmeabgabe großer Verlustleistungen (beispielsweise in IGBTs) sind gewöhnliche Kühlkörper nicht leistungsstark genug. In diesen Fällen kommen Hochleistungskühlkörper zum Einsatz. Diese großvolumigen Kühlkörper können durch ihre Komplexität und Größe nicht in einem Stück stranggepresst werden. Das Grundgerüst der Hochleistungskühlkörper besteht aus einer geraden oder U-förmigen Basisplatte, welche als Halbleitermontagefläche dient.
Anwendungen
- Leistungselektronik
- Computern
- Elektrolokomotiven
- HiFi Verstärkern
- Netzteilen
- Kühltaschen
- Prozessoren
- Radioisotopengeneratoren (zur Versorgung von Satelliten)
- Leuchten aus LED
- Leuchttürme mit elektrischer Energie
- Leiterplattenmontage
Raspberry Pi Kühlkörper
Ein häufiger Anwendungsfall ist der Raspberry Pi u. a. im Industrie-Umfeld. Hier dienen zahlreiche Kühlkörper als Zubehör auf dem Markt. Für den Raspberry Pi 4 gibt es Sets bestehend aus vier Teilen, die für eine optimale Wärmeableitung (siehe auch Hersteller rund um Wärmeableitung) bei hohen Leistungen oder einem 24/7 Dauerbetrieb.
Arten
Das Material sollte möglichst wärmeleitfähig sein, daher wird Aluminium (Alu) oder Kupfer eingesetzt. Diese Materialien haben einen hohen Wärmeleitkoeffizient. Mittlerweile sind die Bauelemente auch aus keramischen Werkstoffen hergestellt, um Wärme in der Leistungselektronik & beim Einsatz von LED abzuleiten.
Es gibt Kühlkörper in verschiedenen Ausführungen je nach Anforderung:
- gerippter Metallblock, meist aus Aluminium durch Strangpressen
- bei Kühlern aus Kupfer als massive Metallplatte mit eingepressten oder (selten) eingelöteten Lamellen aus Kupfer oder Aluminium, aber auch aus Vollmaterial gefräst.
- ausgestanzte und gebogene Bleche
- aufsteckbare Kühlsterne und Kühlfahnen aus Aluminium, Federbronze oder auch Stahlblech
Die Komponente die gekühlt werden muss, wird mit Hilfe von Schrauben, Klemmen, Kleber oder Klammern mit möglichst wenig Abstand untereinander verbunden. Mechanische Befestigung erfolgt meist durch Schrauben. Um den Wärmeübergang zu unterstützen, werden die Kontaktflächen zueinander ausgerichtet.
LED Kühlkörper
Für die effiziente Kühlung von Hochleistungs-LEDs.
Profilkühlkörper
Profilkühlkörper sind die üblichen Kühlkörper mit einem Profil, zu Vergrößerung der Oberfläche.
Weitere Arten
- IC-Kühlkörper
- U-Kühlkörper
- Stiftkühlkörper
- Druckgusskühlkörper
- Embedded Kühlkörper
- Leiterplatten Kühlkörper
- Extrudierte Kühlkörper
- aufsteckbare Kühlsterne, Kühlfahnen
- gerippter Metallblock durch Strangpressen
Wärmewiderstand
Der absolute Wärmewiderstand ist eine charakteristische Größe, um die optimale Form und Größe zu definieren. Der Wärmewiderstand ist gleichwertig zum elektrischen Widerstand. Bei der Berechnung werden Kenngrößen berücksichtigt, wie
- Wärmewiderstand des zu kühlenden Gehäuses
- Wärmewiderstand der Wärmeleitpaste
- Temperatur des Kühlmediums
- Temperatur der Wärmequelle (bei Halbleiter-Bauelementen max. Temperatur der Sperrschicht)
- rückwirkende Erwärmung durch erhöhte Umgebungstemperatur
Optimal ist eine vertikale Einbaulage des Kühlkörpers mit ebenfalls vertikalen Kühlrippen - denn damit wird die Kühlleistung begünstigt. Bei horizontaler Einbaulage ist die Anordnung der Kühlrippen besonders wichtig (Kühlrippen senkrecht zur Längsachse des Kühlkörpers).
Aluminium / Alu Kühlkörper
Aluminium ist ein beliebtes Material für die Herstellung. Zwar besitzt Kupfer noch bessere Eigenschaften als Wärmeleiter, jedoch ist Aluminium günstiger und leichter. Insbesondere für passive Kühlkörper wird am häufigsten Aluminium verwendet. Für Alu Kühlkörper sprechen außerdem folgende Eigenschaften:
- leichte Verarbeitung (Strangpressverfahren)
- geringe Dichte
- hohe Wärmekapazität
- befriedigende Wärmeleitfähigkeit
Terminologie
Kühlkörper gibt es in verschiedenen Varianten. Es gibt passive Kühlkörper und aktive Kühlkörper. Passive Kühlkörper sind Kühlkörper ohne Lüfter, aktive Kühlkörper sind Kühlkörper mit Lüfter. Mit Lüfter ausgestattete Kühlkörper werden auch als HSF bezeichnet. Einige Kühlkörper sind mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, über die die Wärme von Bauteilen und Baugruppen abgeführt wird. In der Fachsprache Kühlkörper, auch Heatsinks genannt.
Passive Kühlkörper
... arbeiten mit der Luftkühlung. Sie bestehen meistens aus Aluminium, da es leicht verarbeitet werden kann, eine geringe Dichte hat, eine hohe Wärmekapazität und Wärme gut ableitet. Bei passiven Kühlkörpern wird durch Konvektion gekühlt. Dabei wird die Umgebungsluft erwärmt, steigt somit auf und dadurch wird kühlere Luft nachgeströmt.
Aktive Kühlkörper
... bestehen aus Kupfer, da es eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat. Jedoch ist das Kupfer auch schwerer, teurer und schwieriger zu verarbeiten als Aluminium. Die aktive Kühlung läuft über ein Lüfterrad, dass die Luftmassen entlang des Körpers führen. Die Lüfterdrehzahl kann je nach Temperatur gesteuert werden. Axiale Lüfter können über den Kühlrippen so montiert werden, dass er direkt in Richtung der Kühlrippen bläst. Neben der Kühlung durch Luft wird auch mit Flüssigkeiten gekühlt: Flüssigkeitskühlung.
Wärmerohre
Die Wärmerohre dienen zur besseren Verteilung der Wärme – sie sind kein Ersatz. Einsatz finden sie bei engen Platzverhältnissen, um die Wärme vom Bauteil zum Kühlkörper zu transportieren. Das sogenannte Heatpipe-Prinzip kommt bei Notebooks zum Einsatz, sowie für die Kühlung von Prozessoren oder Grafikkarten in sehr leistungsstarken Rechnern.
Auch in der Raumfahrt und für Satelliten werden Wärmerohre eingesetzt, da im All keine Luft für eine Wärmeabfuhr existiert.
Kühlkörper Montage
Ist ein Kühlkörper nicht schon ab Werk vormontiert, werden diese in Eigenarbeit montiert. Die meisten werden flach auf die Platine montiert. Kühlkörper mit Lötfahnen werden senkrecht montiert. Die bei der Montage verbleibenden Unebenheiten der Oberflächen können zu Lufteinschlüssen führen, die – wegen der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft – sogenannte Wärmenester produzieren. Die Verwendung von Wärmeleitpaste bei der Montage dient dazu Unebenheiten an der Oberfläche und daraus resultierenden Lufteinschlüssen vorzubeugen und die Wärmenester dadurch zu verhindern. Wärmeleitkleber haben eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine gute mechanische Befestigung, denn der Kleber härtet schnell aus. Wärmeleitpads können werden verwendet, wenn eine isolierte Montage (galvanische Trennung) oder eine Montage auf Abstand benötigt wird.
Anbieter
Kaufen kann man sie bei Herstellern wie CTX Thermal Solutions, Fischer Elektronik und Misumi sowie bei den Lieferanten/Distributoren Reichelt, Semikron.
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