Cooling Days 2014 Trends und Speziallösungen im Wärmemanagement

Drei Themenbereiche dominieren die Cooling Days vom 21. bis 23. Oktober 2014 in Würzburg: Technologietrends in der Elektronikkühlung, Wärmemanagement in der Leistungselektronik und Thermomanagement in Rechenzentren.

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Elektronische Bauteile erwärmen sich im Betrieb, denn dabei entsteht „Verlustwärme“, die niemand haben möchte. Die absolute Menge dieser ungewollten Energie ist nicht direkt das Problem. Wichtiger ist die Menge im Verhältnis zur Oberfläche und dem Volumen des sich erwärmenden Bauteils. Die Energie muss schnell genug vom Bauteil entfernt werden, um eine Überhitzung und damit Funktionsstörungen oder den Ausfall des Bauteils zu vermeiden.

Kleinere Bauteile, Geräte und Systeme bedeuten, dass sich die elektrische Energie auf kleinere Flächen oder Volumen konzentriert. Dazu kommen höhere Taktfrequenzen oder Übertragungsraten die mehr Strom verbrauchen und damit auch mehr ungewollte Wärmeenergie erzeugen. So wird die Entwärmung immer wichtiger.

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Das sind Themen, die jedes Jahr Ende Oktober auf dem Cooling-Days-Kongress in Würzburg sehr ausführlich behandelt werden. Am ersten und dritten Tag gibt es vertiefende Seminare, am zweiten Tag wird ein breites Themenspektrum behandelt. Ein besonderer Schwerpunkt ist die thermische Simulation. Damit kann die Entwärmung schon vor Beginn der Serienfertigung gut geplant werden. Außerdem werden die neuesten Produkte in einer Ausstellung gezeigt. Einzelheiten dazu finden Sie auf www.cooling-days.de.

Außergewöhnliche Entwärmungsmethoden für besondere Fälle

Nicht alle derzeit bekannten ungewöhnlichen Entwärmungstechniken werden auf den Cooling-Days präsentiert. Deshalb folgt hier eine Auswahl in Kurzform.

Wärme leitende Materialien: Diamanten haben die beste thermische Leitfähigkeit von allen natürlich vorkommenden Stoffen. Werden Nanodiamanten (Diamantenstaub) Polymeren beigefügt, dann erhöht sich deren thermische Leitfähigkeit. Schon bei einer Beimischung von 0,03 Gewichtsprozent verbessert sich die thermische Leitfähigkeit um etwa 20 Prozent beim thermischen Füllmaterial. Die Isolationseigenschaften des Kunststoffs bleiben erhalten.

Wärmeflussmessung: In bestimmten Anwendungen ist die genaue Messung des Wärmeflusses sehr wichtig. Fotodetektoren oder Thermometer messen üblicherweise die Temperatur aber nicht den Wärmefluss. Sensoren in Thermopile-Technik messen direkt den Wärmefluss. Dabei sind sehr kleine Säulen (piles) schachbrettartig in ein Trägermaterial eingebettet und thermisch parallel sowie elektrisch in Reihe geschaltet. Der Wärmefluss zwischen der warmen und der kalten Seite erzeugt eine Gleichspannung für die Messung, ähnlich wie beim Seebeck-Effekt. Dieser Effekt wurde schon 1823 von Hans Christian Oersted und Joseph Fourier beschrieben.

Spezielle Luftströmung: Ein pulsierender Luftrom aus kleinen Düsen 'zieht' umgebende Luft mit und kühlt aufgrund der gerichteten und wirbelnden Strömung deutlich besser als Luftströmung mit einem Ventilator.

Die Membranpumpe hat keine rotierenden Teile und keine Lager. Das reduziert die Geräusche und erhöht die Lebensdauer. Der wirbelnde Luftstrom kann auch durch zwei Metallplatten mit Piezoelementen auf jeder Seite erzeugt werden. Mit dieser Technik kann eine gegebene Kühlleistung mit deutlich weniger elektrischer Energie erzeugt werden als mit herkömmlichem Ventilator.

Bei der Wirbelrohrkühlung (Vortex) trennt sich warme von kalter Luft ohne bewegliche Teile infolge de Wirbelströmung. Es entstehen zwei gegenläufige Luftströme im Wirbelrohr. Die warme und kalte Luft verlassen das Wirbelrohr an unterschiedlichen Enden.

Gelegentlich werden auch mechanische oder elektromechanische Bauteile kleiner. So gibt es beispielsweise Lüfter mit Abmessungen von 15 mm x 15 mm (Durchschnitt 1-Cent-Münze = 16,25 mm). Die Dicke beträgt etwa 4 mm, entsprechend zwei aufeinandergelegten 10-Cent-Münzen.

Warme Kühlung: Auch inzwischen etablierte Techniken haben noch Probleme. Um Kühlleistung zu sparen, werden große Rechenzentren so betrieben, dass die Kühlluft oder das Kühlwasser auf höheren Temperaturen belassen werden. Damit verringert sich aber der Puffer bei Notfällen (Stromausfall, Unwetter). So gab es schon massive Ausfälle bei namhaften amerikanischen Rechenzentrumsbetreibern, weil die Daten wegen der geringen Pufferzeit nicht mehr rechtzeitig gesichert und auf Ausweichzentren übertragen werden konnten.

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Neue Entwicklungen bei Wärmeleitmaterialien

Werden die Plastikschalen von Mobiltelefonen aus einem neuen Plastikmaterial, genannt 'Ultra-High Molecular-Weight Polyethylene (UHMWPE), hergestellt dann wird die Hitze, insbesondere von Lithiumbatterien, besonders gut abgeleitet. Dazu ist aber ein besonderer Herstellungs- und Bearbeitungsprozess nötig. Längerfristig könnten damit Kühlkörper aus Metall innerhalb des Mobiltelefons durch deutlich preisgünstigeres Plastikmaterial ersetzt werden.

Die Märkte für Elektro- oder Hybridautos, sowie LED-Lichttechnik und Industrieelektronik bringen neue Herausforderungen für die Entwärmungstechnik. Durch die hohen Energiedichten werden verbesserte thermisch leitfähigen Materialien (TIM) zum schnellen Abtransport von Wärme, weg von der Wärmequelle zu wärmeabgebenden Materialien, benötigt.

So hat die Henkel-Sparte für Klebstoffe die Übernahme von Bergquist, einem Produzenten von Komponenten in diesem Bereich, eingeleitet. Das Geschäftsfeld Elektronik von Henkel erwartet eine signifikante Umsatzsteigerung und Portfolioerweiterung in diesem zukunftsträchtigen Markt.

Infineon Technologies hat eine neue Wärme leitende Paste (TIM) entwickelt, die nach eigenen Angaben um 20 Prozent bessere Kennwerte aufweist, keinen Einbrennzyklus benötigt, silikonfrei und elektrisch nichtleitend ist.

Phononen: Wärmeenergie im Festkörper wird durch Phononen übertragen, ähnlich wie Photonen bei Licht. Die Schwingungen (Wärmestrahlen) des Kristallgitters im Terahertzbereich werden oft als Rauschen wahrgenommen. Bisher wurde angenommen, dass dieser Wärmetransport nach dem Fourierschen Gesetz diffus erfolgt. Inzwischen wurde nachgewiesen, dass diese Wärmeleitung im niedrigen Mikrometerbereich 'gerade' (ballistisch) erfolgt, beispielsweise bei Raumtemperatur in Siliziumkristallen. Wird diese Eigenschaft im Halbleiter genutzt, dann kann Wärme gezielt transportiert werden.

Empfehlung: Cooling Days besuchen und ELEKTRONIKPRAIXS lesen

Der überwiegende Teil der Ausfälle in der Elektronik haben ihre Ursache in der thermischen Überlastung der Bauelemente. Mit einem optimierten thermischen Design lässt sich die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Systeme entscheidend verbessern. Einige dieser hier genannten Verfahren zur Entwärmung sind meist noch in der Erprobung.

Auf den Cooling-Days www.cooling-days.de erfahren Sie was neben den herkömmlichen Methoden schon praxistauglich ist. Hochkarätige Fachexperten berichten praxisnah auf den drei Cooling Days in Würzburg über die aktuellen Entwärmungs- und Kühlverfahren.

Auch In der Zeitschrift ELEKTRONIKPAXIS und auf www.elektronikpraxis.de wird im Jahresverlauf sehr häufig über Entwärmungs- und Kühlungsthemen berichtet. Registrieren Sie sich jetzt online für den Wöchentlichen Newsletter und Sie versäumen nichts mehr im Bereich Wärmemanagemen.

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