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KühlkörperDieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel Leistungselektronik
[Bearbeiten] EinleitungEin Kühlkörper (engl. heat sink) wird benötigt, wenn die Verlustleistung von elektronischen Bauteilen einen bestimmten Wert übersteigt. Der Kühlkörper hat dabei die Aufgabe, die entstehende Wärme möglichst gut auf eine große Fläche zu verteilen, um sie dann an die Umgebung abzugeben.  Das grundlegende Prinzip sieht man an jedem Rippenkühlkörper. An der Stelle, wo das Kühlobjekt angeschraubt/gepresst ist, ist ein dicker "Klumpen" Material, der erstmal die Wärme auf eine etwas größere Fläche verteilen soll. Bei CPU-Lüftern ist dort teilweise Kupfer eingepresst, weil das noch besser als Aluminium Wärme leitet (engl. heat spreader, Wärmespreizer). Danach folgen viele, nach aussen dünner werdende Rippen. In der Mitte noch dick, dort muss die Wärme ja verlustarm durchgeleitet werden, aussen dünn, dort ist fast alle Wärme schon abgegeben. Ein guter Kühlkörper hat eine möglichst große Oberfläche bei möglichst kleiner Masse. Viele Kühlkörper werden aus preiswerten Strangpressprofilen hergestellt. [Bearbeiten] WärmewiderstandDie wichtigste Kennzahl eines Kühlkörpers ist der Wärmewiderstand. Er gibt an, um wie viel Kelvin sich die Temperatur zwischen Wärmequelle und Umgebung unterscheidet, wenn eine bestimmte Wärmeleistung abgeführt werden muss. Die Einheit ist K/W, Kelvin pro Watt. (Hinweis: Oft wird die Einheit °C/W angegeben, das ist allerdings nicht ganz korrekt. Temperaturdifferenzen werden in Kelvin angegeben). Je niedriger der Wärmewiderstand, umso besser der Kühlkörper, weil er die gleiche Wärmeleistung mit einem kleineren Temperaturunterschied abführen kann. Dadurch bleibt das Bauteil kühler, was der Lebensdauer und Funktionssicherheit zu Gute kommt. Allgemein gilt die Formel
[Bearbeiten] Berechnung des WärmewiderstandsFür einen Kühlkörper ist der Wärmewiderstand im Datenblatt angegeben. Diesen rein aus dem Aufbau zu berechnen ist sehr schwierig, auch das Messen ist nicht so einfach. Was man jedoch berechnen kann und muss ist der Wärmewiderstand eines Gesamtaufbaus, d.h. Bauteil + Kühlkörper. Dazu muss man im Wesentlichen zwei Fälle unterscheiden. [Bearbeiten] Bauteil ohne KühlkörperOhne Kühlkörper kann ein Bauteil seine Wärme über zwei Wege abgeben. Über das Gehäuse direkt an die Luft (Abstrahlung oder Konvektion) oder über die Anschlüsse auf die Platine (Wärmeleitung). Dies alles findet parallel statt, aber je nach Gehäusetyp und Platinengestaltung ist die Verteilung auf die Kühlwege verschieden. Transistoren im Metallgehäuse (z. B. TO-3) oder mit Metallfahne (z. B. TO220) können recht viel Wärme über das Gehäuse abgeben. Leistungsdioden im Plastikgehäuse hingegen können den Großteil der Wärme nur über die Anschlüsse abgeben. Deshalb sollten diese möglichst kurz sein, und auf der Platine an dicke Leiterbahnen oder gar Kupferflächen angeschlossen werden. Ähnliches gilt für leistungsverstärkte DIL- oder SOIC- Gehäuse, welche oft für Leistungstreiber oder MOSFETs verwendet werden. In diesen Fällen sollten die Pins direkt an Kupferflächen ohne Wärmefallen (Thermals) angeschlossen werden, auch wenn dadurch das Löten erschwert wird. Für die meisten Bauteile ist im Datenblatt der Wärmewiderstand zwischen dem eigentlichen Chip (engl. "junction") und der Umgebung (engl. "ambient") angegeben. Damit kann man direkt in die oben genannte Formel gehen und die Temperaturdifferenz ausrechnen. Die Temperatur der Sperrschicht errechnet sich einfach aus der maximalen Umgebungstemperatur (meist Luft) und dem errechneten Temperaturunterschied. [Bearbeiten] Bauteil mit KühlkörperWill man mit einem IC größere Verlustleistungen umsetzen (Linearer Spannungsregler, Transistor, etc.] muss meist ein Kühlkörper her. Die jeweiligen Gehäuse besitzen dazu meist eine Kühlfahne, an die man den Kühlkörper anschrauben kann. Bei anderen gibt es Klemmen, die den Kühlkörper fest klemmen. Hier gibt es einiges zu beachten. Der Kühlkörper darf nicht zu schwach angeschraubt werden, sonst ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper zu gross. Er darf aber auch nicht zu stark angeschraubt/angepresst werden, um das Gehäuse nicht zu deformieren. Wichtig ist der Übergang zwischen IC und Kühlkörper. Hier muss bei größeren Leistungen (>5W) Wärmeleitpaste verwendet werden. Ihre Aufgabe ist es, die Luft zwischen den Oberflächen zu verdrängen, welche sich in den mikroskopischen Unebenheiten befindet und den Wärmewiderstand deutlich erhöht. Dabei sollte die Schicht sehr dünn sein, denn die Wärmeleitpaste ist im Vergleich zu Aluminium oder Kupfer ein schlechter Wärmeleiter, allerdings deutlich besser als Luft.
Beispiel Das oft verwendete TO220 Gehäuse hat ca. 1cm^2 Kühlfläche. Wird ein Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste aufgeschraubt und entsteht dabei ein angenommener Luftspalt von 10µm, hat dieser einen Wärmewiderstand von ca. 4K/W! Mit Wärmeleitpaste sind es rein rechnerisch nur 1/150tel, also etwa 0,026 K/W. Real muss man jedoch eher mit 0,5-1K/W rechnen. Für die Berechnung des gesamten Wärmewiderstandes müssen hier drei Widerstände in Reihe betrachtet werden. Der Erste ist im Datenblatt zwischen Chip und Gehäuse angeben (engl. junction to case). Danach kommt der Übergang Gehäuse-Kühlkörper. Dieser ist von der Oberflächengüte und der Wärmeleitpaste abhängig und kann nur abgeschätzt werden. Ein TO220 Gehäuse mit dünner Schicht Wärmeleitpaste hat hier ca. 0,5-1K/W. Zum Schluss muss noch der Wärmewiderstand des Kühlkörpers addiert werden, dieser ist im Datenblatt angegeben. Vorsicht, bei größeren Kühlkörpern mit großen Rippen ist die Einbaulage wichtig, damit der Luftstrom frei strömen und gut kühlen kann (freie Konvektion, warme Luft strömt nach oben und kalte strömt unten nach). Die drei Wärmewiderstände werden addiert und über die oben angegebene Formel der Gesamtwärmewiderstand und damit die Temperaturerhöhung der Sperrschicht berechnet. Wird eine Schaltung in einem Gehäuse eingesetzt, muss man dafür sorgen dass die warme Luft abgeführt wird, vor allem in Kunststoffgehäusen. Ansonsten gibt es einen Wärmestau und die Temperatur steigt deutlich! [Bearbeiten] ZwangskühlungNatürlich muss der Kühlkörper die Wärme auch abführen können. Was aber, wenn der für den Wärmeabtransport benötigte Kühlkörper mechanisch nicht ins Gehäuse paßt? Hier kommen die Lüfter zum Einsatz, das Ganze nennt sich dann Zwangskühlung. Durch den Einsatz eines Lüfters lässt sich die der Wärmewiderstand des Kühlkörpers etwa um den Faktor 4 verbessern, bzw. der Kühlkörper lässt sich in der Größe ungefähr um den Faktor 7..8 reduzieren. Dies sind jedoch nur Richtwerte für den ersten Entwurf, eine Prüfung durch Messung ist unbedingt erforderlich. Der Effekt beruht darauf, daß mittels eines Lüfters wesentlich mehr Luft wesentlich schneller am Kühlkörper vorbeiströmen kann, und dabei mehr Wärme bei gleicher Temperaturerhöhung aufnehmen kann. Beim Einsatz eines Lüfters ist auch daran zu denken, daß sowohl die Ansaugöffnung als auch der Kühlkörper verschmutzen und regelmäßig gereinigt werden müssen. Weiterhin erzeugt ein Lüfter natürlich auch Lärm. Je kleiner der Lüfter und je größer die benötigte Luftlieferleistung, umso lauter wird der Lüfter. Umgekehrt kann man aber mit einem großen, eher langsam laufenden Lüfter den Geräuschpegel stark absenken. Und letztendlich kann ein Lüfter auch kaputt gehen, womit die Kühlung deutlich verschlechtert wird und das Bauteil überhitzt. Hier empfiehlt sich bei wertvolleren Objekten eine Lüfterüberwachung, wie sie seit längerem bei PCs eingesetzt wird. [Bearbeiten] Physikalischer Hintergrund der Zwangskühlung mit LuftLuft hat eine Wärmekapazität von ungefähr 1kJ/kg/K was bedeutet, daß für die Erwärmung von 1kg Luft um 1K eine Energiemenge von 1kJ = 1000Ws erforderlich ist. D.h. für den kontinuierlichen Abtransport von 100W Wärme werden mindestens 100g Luft pro Sekunde benötigt, wenn man diese nur um 1K erwärmen will. Um also 100W von einem Kühlkörper abzuführen, der sich hier im Beispiel um 8K erwärmen darf, sind 100W / 8K = 12,5g Luft pro Sekunde erforderlich. Ein Gramm Luft hat ein Volumen von etwa 0,77l, d.h. bei 12,5 g muss der Lüfter 9,6 l/s bzw. 34,5 m^3/h liefern, die dann auch durch den gesamten Kühlkörper geblasen werden müssen. [Bearbeiten] Die Platine als KühlkörperBei kleineren Leistungen (< 5W) kann man auch die Platine als Kühlkörper benutzten. Dabei muss jedoch die Wärme vom Bauteil möglichst schnell auf eine größere Fläche verteilt werden. Dazu nutzt man große Kupferflächen direkt am Bauteil. Diese werden teilweise beidseitig angebracht. Die Wärme muss man dann jedoch mit vielen Vias von der einen Seite, auf der das Bauteil sitzt, auf die andere geleitet werden. Diese Vias heißen thermische Vias, da sie nicht als elektrische Verbindung sondern als Wärmeleiter dienen. Das funktioniert deshalb so gut, weil die Vias innen mit Kupfer beschichtet sind, welches die Wärme wesentlich besser leitet als das Material der Leiterplatte (FR2, FR4). Verfügt ein SMD-Bauteil über eine sogenannte "Heatslug" oder thermal pad auf der Unterseite, muss dieses zur Wärmeableitung unbedingt angelötet werden. Dies ist mit einem normalen Lötkolben möglich, wenn die Platine an dieser Stelle mehrere Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ca. 1,5mm aufweist. Durch diese Durchkontaktierungen kann genug Lötzinn auf die andere Seite fließen um diese Fläche mit der Platine zu verlöten. Mit modernen Technologien ist es auch möglich, deutlich größere Wärmeleistungen von der Platine abzuführen. Dazu werden z. B. Platinen mit Aluminium- oder Kupferkern oder auf einen Metallträger laminierte PCBs benutzt (IMS = Insulated Metal Substrat). Diese kommen z. B. bei Hochleistungs-LEDs zum Einsatz. Für Hobbyzwecke sind sie aber noch wesentlich zu teuer, vor allem bei Einzelstücken. [Bearbeiten] PeltierelementEin Peltierelement arbeitet nach dem Peltier-Effekt. Dabei wird in einem Halbleiter durch Stromfluss eine Seite des Elements kalt, die andere heiß. Damit kann man ein kleines Objekt beliebig kühlen oder heizen. Allerdings sind Peltierelemente nur in eher kleinen Abmessungen und Leistung verfügbar (bis einige Dutzend Watt) und deren Effizienz ist auch nicht sonderlich hoch. Die allgemeine Auffassung, die könnten Wärme einfach verschwinden lassen ist falsch. Denn die heiße Seite muss klassisch gekühlt werden, je nach Temperaturunterschied mit mehr als der doppelten Kühlleistung als auf der kalten Seite an Wärme abgeführt wird. [Bearbeiten] HeatpipeEine Heatpipe,auf deutsch Wärmerohr genannt, ist ein Rohr, welches mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Wird ein Ende erhitzt, verdampft die Flüssigkeit und nimmt dabei sehr viel Wärme auf. Der Dampf steigt im Rohr ans andere Ende, kondensiert dort und gibt dabei seine Wärme wieder ab. Heatpipes werden auch als Wärmesuperleiter bezeichnet, weil sie Wärme 100-10.000 mal besser leiten als ein massiver Kupferstab mit gleichen Abmessungen. Auch hier muss gesagt werden, dass eine Heatpipe allein kein Kühlsystem ist, denn die Seite, auf der das Wärmetransportmedium wieder kondensiert muss auch wieder klassisch gekühlt werden. Der grosse Vorteil ist die Abführung großer Wärmemengen auf engstem Raum, wie z. B. bei CPUs in Laptops. [Bearbeiten] FlüssigkühlungIm PC-Bereich ist es unter einigen Enthusiasten verbreitet, den Rechner entweder zu übertakten, um eine höhere Leistung zu erzielen oder super leise zu machen, um angenehmer arbeiten oder spielen zu können. In beiden Fällen muss eine große Wärmemenge abgeführt werden. Dabei wird die sehr hohe Wärmekapazität von Wasser genutzt, um auf kleinem Raum die Wärme von CPU, GPU, Festplatten etc. abzuführen. Aber auch hier ist zu beachten, dass am Ende einer Flüssigkühlung praktisch immer ein klassicher Wärmetauscher steht, welcher die Wärme an die Umgebung Luft abgibt. Dieser kann sich aber deutlich weiter entfernt vom zu kühlenden Objekt befinden als ein einfacher, direkt montierter Kühlkörper. Bei der Verwendung von Wasser statt Luft als Kühlmedium reduziert sich die Durchflußmasse in etwa um den Faktor 4,2, da die Wärmekapazität von Wasser bei ca. 4,182 kJ/kg/K liegt. Da Wasser aber auch eine deutlich höhere Dichte als Luft besitzt (Wasser = 1g/cm³; Luft = 1,3mg/cm³) kommt noch der Faktor von ~770 dazu, woraus sich ein Gesamtfaktor für das Durchflußvolumen von ~3230 ergibt. D.h. die Durchflußmenge in unserem oben genannten Beispiel (100W) sinkt auf ca. 2,9 ml/s bzw. 10,7 l/h. Vorteile
Nachteile
Im Bereich der Leistungselektronik wird Flüssigkühlung eingesetzt, im Hobbybereich nahezu nicht. [Bearbeiten] Bauteilmontage auf dem KühlkörperDie Montage der klassischen Halbleitergehäuse nach TO220 und ähnlichen gestaltet sich augenscheinlich simpel: Die Kühlfahne hat ein Loch. Da ist es doch sehr verlockend, das Bauteil mit einer Schraube durch ebendieses Loch auf dem Kühlkörper zu befestigen... Bei fachgerechter Ausführung spricht auch wenig gegen diese Montageweise; dazu gehört dann zum Beispiel das richtige Anzugsmoment für die Schraube. Zu lose und zwischen Bauteilgehäuse und wärmeabführender Oberfläche entsteht ein Luftspalt. Ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste schaffen zwar Abhilfe, aber die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe liegt um Größenordnungen unter der von dem Aluminium des Kühlkörpers und der Kühlfahne. Ein vorhandenes Wärmeleitpad wird mitunter auch nicht weit genug zusammengedrückt, sodass auch (wie gehabt, abseits der ohnehin bescheidenen Leitfähigkeit) noch Optimierung möglich wäre. Nämlich durch festeres Anziehen der Schraube. Zu fest aber und die Kühlfahne wölbt sich minimal. Dabei hebt der Bauteilkörper von der Oberfläche des Kühlkörpers ab und es entsteht wieder ein Spalt. Ungünstigerweise aber liegt der Heat-Spot, also der Usprung des Wärmeflusses (Silizium-Chip) genau dort...
 Abgesehen davon, dass so auch SMD-Bauteile (IPAK!) auf einem Kühlkörper Platz finden, entsteht Druck genau über dem Hot-Spot.
[Bearbeiten] Weitere Hinweise
[Bearbeiten] Links[Bearbeiten] Weblinks
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