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Für jede Anwendung die passende Kühllösung

01  CTX Thermal Solutions bietet maßgeschneiderte Kühlkörper für unterschiedliche Anwendungen

01  CTX Thermal Solutions bietet maßgeschneiderte Kühlkörper für unterschiedliche Anwendungen

02  Clip- und Federlösungen sorgen für einen dauerhaften thermischen Kontakt und damit für einen gleichbleibend guten Wärmeübergang vom Halbleiter zum Kühlkörper

02  Clip- und Federlösungen sorgen für einen dauerhaften thermischen Kontakt und damit für einen gleichbleibend guten Wärmeübergang vom Halbleiter zum Kühlkörper

03  Embedded-Kühlkörper speziell zur schnellen und ­zuverlässigen Wärmeabfuhr bei Embedded-Systemen und Industriecomputern

03  Embedded-Kühlkörper speziell zur schnellen und ­zuverlässigen Wärmeabfuhr bei Embedded-Systemen und Industriecomputern

04  Hochleistungskühlkörper gewährleisten einen schnellen Wärmeabtransport bei modernen elektronischen Bau­gruppen in der Antriebstechnik oder in Frequenzumrichtern

04  Hochleistungskühlkörper gewährleisten einen schnellen Wärmeabtransport bei modernen elektronischen Bau­gruppen in der Antriebstechnik oder in Frequenzumrichtern

Bei der Entwicklung moderner Hochleistungselektronik ist die Wahl des passenden Kühlsystems von entscheidender Bedeutung. So hat dieses maßgeblichen Einfluss auf die korrekte Funktion und eine lange Lebensdauer der Geräte und Systeme. CTX Thermal Solutions liefert Kühlkörper für verschiedene Branchen und Einsatzgebiete – angefangen bei kleinen Kühlkörpern für SMT-Anwendungen bis hin zur großen Flüssigkeitskühlplatte. Daraus können Kunden die für ihre Lösung optimale Kühllösung auswählen.

Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Halbleiterbauteile werden von der thermischen Belastung bestimmt, die sie entwickeln und der sie dadurch ausgesetzt sind. Gleiches gilt für LED im Hochleistungsbereich: Ist die maximale Betriebstemperatur erst einmal überschritten, sind Fehlfunktionen die Folge. Die Leistungsdichte elektronischer Bauteile jüngster Generation macht das „thermische Management“ jedoch immer wieder zur He­rausforderung. „Mehr mikroelektronische Bauelemente pro Fläche ziehen größere Leistungsdichten und damit höhere Verlustleistungen nach sich. Der Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts kommt bei der Entwicklung neuer Technologien und Geräte folglich eine immense Bedeutung zu“, begründet dies Georg Laskowsky, Sales Manager der CTX Thermal Solutions GmbH. Die Lösung liegt für ihn in leistungsstarken Kühlkonzepten – „passgenau auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt“.

Kühlkompetenz für jeden Anwendungsfall
CTX Thermal Solutions bietet neben einem breit ­gefächerten Kühlkörpersortiment sofort lieferbarer Standardausführungen auch zugeschnittene CNC-Maßanfertigungen (Bild 1). Der Spezialist für Elektronikkühlung vertreibt Kühlelemente für die Automobil-, Haushalts- und Unterhaltungselek­tronik. Einige Mitarbeiter verfügen über mehr als 25 Jahre Erfahrung auf diesem Gebiet. Hinzu kommen Hochleistungskühlkörper für industrielle Netzteile und Computer sowie spezielle Lösungen für den Bereich der regenerativen Energien sowie für Haus- und LED-Technik. Das Produktspektrum reicht von wenige Millimeter großen Kühlkörpern für SMD-Bauelemente bis zu 200 kg schweren Flüssigkeitskühlkörpern, wie sie für Wechselrichter in Eisenbahnen typisch sind. Ebenso bietet CTX auf die Kühlkörper abgestimmte Lüfter und Gehäuse an, um die Elektronikkomponenten in den verschiedenen Branchen zu schützen.

Freie Konvektion oder erzwungene Kühlung?
Welcher Kühlkörper zu welcher Anwendung passt, hängt in erster Linie von den Einbauverhältnissen sowie der Verlustleistung des zu kühlenden Bauteils ab. Zur Wahl stehen passive und aktive Kühlsysteme. G. Laskowsky erklärt: „Ein passiver Kühlkörper führt die Wärme vorrangig durch Konvektion ab. Die erwärmte Umgebungsluft steigt auf und lässt kühlere Luft nachströmen.“ Entscheidend dafür sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials, eine große Oberfläche und ein ausreichend großer Abstand zwischen den Kühlrippen des Kühlelements. „Wann immer Bauraum und Verlustleistung es erlauben, sollte aus Gründen der Langzeitzuverlässigkeit und Kosten die Wahl auf eine passive und damit lautlose Kühllösung fallen“, rät er. Das CTX-Produktportfolio in diesem Bereich umfasst mehrere Modelle in unterschiedlichen Formen und Varianten. Kühlkörper aus Aluminium-Stranggussprofilen zählen zu den Klassikern unter den passiven Elektronikkühllösungen. Sie leiten große Wärmemengen zuverlässig ab, sichern den stabilen Betrieb der Bauteile und erhöhen deren Lebensdauer. Ebenso arbeiten die CTX-Kühlkörper für SMD-Bauelemente nach diesem Prinzip. Sie ermöglichen eine dichte, auch beidseitige Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur Miniaturisierung der Geräte bei.
Wo passive Kühlkörper an ihre Grenzen stoßen, rücken aktive Kühllösungen in den Vordergrund. „Die Entwärmung mit kleinformatigen Lüftern und Gebläsen ist leistungsstärker als die freie Konvektion“, führt G. Laskowsky die Vorteile der „erzwungenen“ Kühlung aus. Die Lüfter und Gebläse lassen sich sowohl alleinstehend als auch in Kombination mit einem Kühlkörper nutzen, um die entstehende Wärme forciert abzuführen. „Solche Lösungen arbeiten bei gleicher Masse etwa sechsmal so effektiv wie ihre passiven Pendants“, sagt er weiter. Entsprechend kompakt können sie bei CTX gebaut werden. Die Königsklasse der aktiven Kühlung sind Flüssigkeitskühler. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide, wie Wasser, Öl, Alkohol, oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen. Hierbei erfolgt die Wärmeableitung direkt am elektronischen Bauteil, welches sich auf dem flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement befindet. Für den Fachmann ein wärmetechnisches Konzept, dessen Effizienz herausragend ist: „Dadurch lassen sich 15 % bis 25 % mehr Wärme ableiten, als es bei herkömmlichen Kühlsystemen der Fall ist.“ Ein weiteres Plus: Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus und sind daher kompakt. Eine typische Anwendung ist die Kühlung moderner Hochleistungs-IGBT-Module durch Ultra-Hochleistungskühlkörper. Bei dieser ­Variante leiten breite und in eine Aluminiumplatte eingelassene ­Kupferrohre die Hitze aus dem Bauelement schnell ab.

Kupfer für bessere Wärmeabfuhr
Auch Faktoren, wie Material und Format, spielen bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers eine wichtige Rolle. Die thermische Leistung ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers. Aluminium zeichnet sich durch sein geringes Gewicht bei guter Wärmeleitfähigkeit aus. Mittels Umformung im Extrusionsverfahren wird die Geometrie der Kühlkörper optimiert und den Erfordernissen angepasst. Eine zusätzliche Oberflächenveredlung, beispielsweise durch Eloxieren, verbessert die Wärme­abstrahlung der Kühlkörper nochmals. Als Alternative steht Kupfer zur Auswahl, „ein exzellenter Wärmeleiter“, wie G. Laskowsky anmerkt. Die bessere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers führt innerhalb des Kühlkörpers zu einer schnellen und optimalen Wärmeverteilung – „allerdings auf Kosten eines höheren Preises“, so der Sales Manager. Um die Kosten gering zu halten, setzt CTX in solchen Fällen auf die Kombination beider Materialien und verwendet Kupfer nur dort, wo nötig – am sogenannten Hotspot, der Stelle mit der höchsten Verlustleistung. Der überwiegende Teil des Kühlkörpers besteht dagegen aus Aluminium.
Wenn es besonders klein sein muss, kommen Embedded-Kühlkörper zum Einsatz – je nach Anforderungen passiv oder aktiv. Speziell für Embedded-Systeme und Industriecomputer bietet CTX passgenaue und CNC-gefertigte Lösungen zur schnellen und zuverlässigen Wärmeabfuhr. Das Angebot umfasst Kühlkörper mit Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot sowie Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes sowie Lüftern. Ebenso erhältlich sind komplette Sets, bestehend aus Kühlkörper, Isolierungen, Montagebolzen sowie projektspezifische Gehäuse (Bild 3). Nicht weniger effizient und kompakt sind die Hochleistungskühlkörper von CTX. Die modular aufgebauten hartgelöteten Aluminiumrippenkühlkörper sind ideal für eine Lüfter gestützte Kühlung. Ihr herausragendes Merkmal: „Da beim Hartverlöten die Molekularstrukturen der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt werden, treten bei ihnen nur minimale Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf“, erklärt G. Laskowsky. Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 % leichter und kompakter. Sie lassen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen – „selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch“ (Bild 4).

Per thermischer Simulation zur passenden Lösung
Ist eine Standardlösung nicht die optimale Wahl, entwickelt CTX zusammen mit dem Konstrukteur den passenden Kühlkörper. Wie dieser im Detail auszulegen ist und wie die Lüfter dimensioniert sein müssen, legt eine thermische ­Simulation fest. G. Laskowsky: „Hierfür benötigen wir die technischen Details der eingesetzten Halbleiter, deren ­geometrische Einbauverhältnisse sowie die für den Betrieb ­maximal zulässige Temperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur.“ Anschließend können die Experten aus Nettetal jeden Temperaturzustand des elektronischen Bauteils vorausberechnen. Der Vorteil: Auf diese Weise lassen sich mehrere Prototypen- und Versuchsdurchläufe während der Entwicklungsphase eines Geräts oder ­einer Einheit einsparen und thermische Probleme frühzeitig erkennen. Der Konstrukteur erfährt, ob die gewählte Kühllösung ihren Zweck erfüllt, wie groß die Lüfterleistung sein muss oder ob eine passive oder aktive Kühlung vorgesehen werden muss. (ih)

Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer der CTX Thermal Solutions GmbH in Nettetal. info@ctx.eu

Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer der CTX Thermal Solutions GmbH in Nettetal. info@ctx.eu