Grundlagen der Auswahl und Anwendung von Kühlkörpern

Die fortschreitende Verkleinerung der meisten elektronischen Komponenten - insbesondere von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern - hat zu einer Erhöhung der Wärmedichte geführt. Eine Folge dieser Entwicklung ist, dass das thermische Design und Management zu einem Hauptanliegen der Entwicklung geworden ist, da Lebenserwartung, Zuverlässigkeit und Leistung in umgekehrter Beziehung zur Betriebstemperatur eines Geräts stehen. Es obliegt daher den Entwicklern, ein klares Verständnis des effektiven Wärmemanagements und der verfügbaren Kühlkörperlösungen zu haben, um die Betriebstemperatur eines Geräts innerhalb der vom Lieferanten festgelegten Grenzen zu halten.

Kühlkörper arbeiten, indem sie die dem Kühlmittel (Luft) ausgesetzte Oberfläche des Geräts vergrößern. Bei richtiger Montage senken Kühlkörper die Temperatur eines Bauteils, indem sie die Wärmeübertragung zur kühleren Umgebungsluft über die Festkörper-Luft-Grenze hinweg verbessern.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Auswahl von Kühlkörpern und bietet eine Anleitung für die richtige Auslegung, die Komponentenauswahl und die besten Verfahren zur Erzielung einer ausgezeichneten Kühlleistung. Als praktische Beispiele werden Kühlkörperlösungen von Ohmite verwendet.

Der thermische Schaltkreis

Leistung wird von den aktiven Transistorübergängen innerhalb einer integrierten Schaltung (IC) in Form von Wärme abgeführt, wobei die Temperatur des Übergangs proportional zur abgeführten Leistung ist. Die Hersteller geben die maximale Sperrschichttemperatur an, sie liegt im Allgemeinen bei etwa 150 °C. Das Überschreiten dieser Sperrschichttemperatur führt in der Regel zu einer Beschädigung des Bauelements, so dass Entwickler nach Möglichkeiten suchen müssen, so viel Wärme wie möglich vom IC abzuleiten. Dazu können sie sich auf ein recht einfaches Modell zur Messung des Wärmeflusses - ähnlich dem Ohmschen Gesetz für elektrische Berechnungen - stützen, das auf dem Konzept des Wärmewiderstands basiert, symbolisiert durch θ (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das thermische Schaltungsmodell für einen IC mit einem Kühlkörper, basierend auf dem Konzept des thermischen Widerstands, symbolisiert durch θ. (Bildquelle: DigiKey)

Der Wärmewiderstand ist der Widerstand, auf den Wärme trifft, wenn sie von einem Medium in ein anderes fließt. Sie wird in Einheiten von Grad Celsius pro Watt (°C/Watt) gemessen und ist definiert als

 Gleichung 1

Mit:

θ ist der Wärmewiderstand über eine thermische Barriere in °C/Watt.

∆T ist die Temperaturdifferenz über die thermische Barriere in °C.

P ist die an der Verbindungsstelle abgeführte Leistung in Watt.

Betrachtet man die physikalische Anordnung von IC und Kühlkörper, so gibt es eine Reihe von thermischen Schnittstellen. Die erste liegt zwischen der Sperrschicht und dem Gehäuse des ICs, die durch den Wärmewiderstand θ_jc modelliert wird.

Der Kühlkörper wird mit Hilfe eines thermischen Schnittstellenmaterials (TIM) - entweder Wärmeleitpaste oder Thermoband - am IC befestigt, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Bauelementen zu verbessern. Diese Schicht, die im Allgemeinen einen geringen Widerstand aufweist, wird als Teil des Wärmewiderstands von Gehäuse zu Kühlkörper modelliert, θ_cs. Die letzte Stufe ist die Schnittstelle des Kühlkörpers zur Umgebung, θ_sa.

Thermische Widerstände werden in Reihe geschaltet, genau wie Widerstände in einer elektronischen Schaltung. Die Summe aller thermischen Widerstände ergibt den gesamten Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebungsluft.

Der Wärmewiderstand der Sperrschicht zum Gehäuse wird im Allgemeinen entweder implizit oder explizit vom IC-Lieferanten angegeben. Die Angabe kann in Form einer maximalen Gehäusetemperatur erfolgen, wodurch eines der thermischen Widerstandselemente eliminiert wird. Der Entwickler, der den IC verwendet, hat keine Kontrolle über die Charakteristik des Wärmewiderstands von Sperrschicht zu Gehäuse. Der Entwickler hat jedoch die Möglichkeit, die TIM- und Kühlkörpereigenschaften zu wählen, die erforderlich sind, um den IC ausreichend zu kühlen, um die Sperrschichttemperatur unter dem spezifizierten Maximum zu halten. Im Allgemeinen gilt: Je geringer der thermische Widerstand des TIM und des Kühlkörpers, desto niedriger ist die Gehäusetemperatur des zu kühlenden ICs.

Beispiel zur Kühlkörperauswahl

Ohmite bietet die Kühlkörper der BG-Serie an, die für den Betrieb mit Mikroprozessoren (CPUs), Grafikprozessoren (GPUs) oder ähnlichen Prozessoren in BGA- (Ball-Grid-Array) oder PGBA-Gehäusen (Plastik-Ball-Grid-Array) mit quadratischer Gehäusefläche ausgelegt sind (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Kühlkörper der BG-Serie eignen sich für ICs mit BGA-Gehäuse, einschließlich CPUs, GPUs und andere mit ähnlichem quadratischem Footprint. (Bildquelle: Ohmite)

Die Produktreihe umfasst zehn Kühlkörper-Designs mit Footprints, die gängigen IC-Konfigurationen von 15 x 15 Millimeter (mm) bis 45 x 45 mm entsprechen, und Rippenflächen von 2060 bis 10.893 mm² bieten (Tabelle 1). Diese RoHS-konformen Kühlkörper werden aus einer schwarz eloxierten Aluminiumlegierung 6063-T5 hergestellt.

Tabelle 1: Das Sortiment der BG-Serie mit Rippenflächen von 2060 bis 20.893 mm². (Tabellenquelle: DigiKey)

Die Wärmewiderstandswerte in der Tabelle gelten für natürliche Konvektionskühlung. Die erzwungene Konvektion mit einem Lüfter senkt den Wärmewiderstand proportional zur Geschwindigkeit der Kühlluft. Eine Zwangsluftkühlung kann den Wärmewiderstand um den Faktor zwei oder drei zu eins reduzieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die thermische Leistung der Kühlkörper der Serie BG von Ohmite bei Zwangsluftkühlung. (Bildquelle: Ohmite)

Wärmeleitmaterial

Im Fall der BG-Serie von Ohmite ist das zwischen dem IC-Gehäuse und dem Kühlkörper verwendete Wärmeleitmaterial ein doppelseitiges Thermoband, das mit dem Kühlkörper geliefert wird. Die Verwendung von doppelseitigem Klebeband vereinfacht die Installation, da das Klebeband keine mechanische Bearbeitung oder Fertigung erfordert.

TIMs werden normalerweise durch ihre Wärmeleitfähigkeit in Einheiten von Watt pro Meter-Celsius (Watt/(m·°C)) oder Watt pro Meter-Kelvin (Watt/(m·K)) angegeben. Der Wärmewiderstand der TIM-Schicht ist abhängig von der Dicke des Bandes und der Fläche, über die es aufgetragen wird. Der Wärmewiderstand kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden:

 Gleichung 2

Dabei gilt:

Die Dicke wird in Metern (m) angegeben.

Die Fläche wird in Metern zum Quadrat (m²) angegeben.

Die Wärmeleitfähigkeit wird entweder in Watt/(m·°C) oder Watt/(m·K) ausgedrückt.

Celsius und Kelvin sind austauschbar, da beide das gleiche Einheitsinkrement der Temperaturmessung verwenden und die Temperaturdifferenz berechnet wird (z.B. entspricht eine Temperaturänderung von 10 °C einer Temperaturänderung von 10 K).

Betrachtet man den an einer 15 x 15 mm großen Komponente angebrachten 15 x 15 x 7,5 mm großen Kühlkörper BGAH150-075E von Ohmite, so beträgt die Fläche des TIM 225 mm² (225E^-6 m²). Die Dicke des mitgelieferten Thermobandes beträgt 0,009 Zoll oder 0,23 mm (0,00023 m). Die angegebene Wärmeleitfähigkeit beträgt 1,4 Watt/(m·K). Die Verwendung dieser Werte in Gleichung 2 ergibt:

 Gleichung 3

Der Wärmewiderstand des TIM wird im Allgemeinen viel kleiner sein als der des Kühlkörpers, und er wird bei Kühlkörpern mit einer größeren Grundfläche geringer skalieren.

Ein Beispiel für die Bestimmung des minimalen Wärmewiderstands, der in einem Kühlkörper erforderlich ist, um den IC innerhalb seiner Temperaturgrenze zu halten, beginnt mit dem IC. Betrachten Sie einen 15 x 15 mm großen IC mit einer maximalen spezifizierten Gehäusetemperatur von 85 °C, der im Normalbetrieb 2 Watt verbraucht und in einem Gehäuse mit einer Umgebungstemperatur von 45 °C betrieben wird.

Die Bestimmung der Verlustleistung eines Prozessors kann aufgrund der Vielzahl der Betriebsarten schwierig sein. Einige Hersteller versuchen, dies zu vereinfachen, indem sie die thermische Entwurfsleistung oder TDP angeben. Der TDP ist die Verlustleistung, die beim Ausführen einer „echten Anwendung“ verbraucht wird. Es gibt einige Diskussionen über die Eignung dieser Einstufung, da sie von der Anwendung abhängig ist. Es ist auch möglich, die maximale Verlustleistung durch Bezugnahme auf den Stromversorgungsbedarf für jede der Versorgungsspannungen der CPU zu bestimmen. Dieser Wert kann höher sein als die durch TDP beschriebene Dissipation. Entwickler sollten die technischen Daten des Anbieters konsultieren, um die beste Schätzung der nominalen Verlustleistung eines ICs zu ermitteln.

Um auf das Beispiel zurückzukommen, kann der minimale Wärmewiderstand (θ) des erforderlichen Kühlkörpers und TIM mit Gleichung 4 bestimmt werden:

 Gleichung 4

Der BGAH150-075E von Ohmite hat einen Wärmewiderstand von 18 °C/Watt; mit dem zusätzlichen Widerstand des TIM, 0,73 °C/Watt, beträgt der Gesamtwiderstand 18,73 °C/Watt. Dies ist niedriger als der berechnete minimale Wärmewiderstand und es wird funktionieren. Wenn dieser Kühlkörper ausgewählt wird, basierend auf einer umgekehrten Berechnung unter Verwendung von Gleichung 1 bei konstant gehaltener Umgebungstemperatur, würde die geschätzte maximale Gehäusetemperatur 82,5 °C betragen.

Als alternativer Kühlkörper reduziert die Auswahl des 15 x 15 x 12,5 mm großen BGAH150-125E von Ohmite mit einer größeren Oberfläche aufgrund einer größeren Rippenhöhe den thermischen Gesamtwiderstand von Kühlkörper und TIM auf 11 °C/Watt. Dies würde die Gehäusetemperatur bei etwa gleichen Kosten auf etwa 67 °C senken und einen größeren Temperaturspielraum bieten.

Andere Erwägungen könnten der verfügbare Platz für den Kühlkörper oder die mögliche Notwendigkeit eines Kühlventilators sein.

Fazit

Die Auswahl eines Kühlkörpers ist aus thermischer Sicht relativ einfach. Wie gezeigt, bieten die Kühlkörper der BG-Serie von Ohmite eine praktikable Lösung für Kühlprobleme bei ICs im BGA-Gehäuse.