Wärmemanagement: Was Einkäufer wissen müssen

Das Wärmemanagement ist der unbesungene Held der Elektronik, es sorgt dafür, dass die Geräte kühl bleiben und einwandfrei funktionieren. Für Einkaufsfachleute kann es hilfreich sein, verschiedene Arten von Produkten für das Wärmemanagement zu identifizieren, ihre Funktionsweise zu verstehen und Überlegungen zu Vorlaufzeiten anzustellen, um die beste Lösung zu finden.

Eine Wärmemanagementlösung zu entwerfen, ist in der Regel nicht etwas, was Einkaufsprofis allein tun können. Ingenieure sollten einbezogen werden, da dies einen anderen Ansatz erfordert als die Beschaffung von elektronischen Standardkomponenten.

Eine Möglichkeit, verschiedene Arten von Produkten für das Wärmemanagement zu unterteilen, ist die aktive Kühlung und die passive Kühlung. Bei der aktiven Kühlung wird Strom zur Kühlung aufgewendet, wie bei einem Lüfter (AC oder DC) oder einer Peltier-Komponente. Zu den Kühltechnologien, die keinen Strom benötigen, gehören Fett, Kitt oder Wärmeleitpads.

Abbildung 1: Der axiale 5V_DC-Lüfter F310R-05LLC von Copal kann zur aktiven Kühlung verwendet werden. (Bildquelle: Nidec Copal Electronics)

Platzbedarf

Die wichtigste Überlegung ist, wie viel Platz zur Verfügung steht. Zum Beispiel haben Computer mit großen Gehäusen viel Platz für einen Lüfter.

Angesichts von Anwendungen wie Wearables oder Mobiltelefonen wird der Platz allerdings zu einem kritischen Faktor. Große Lösungen für das Wärmemanagement werden nicht funktionieren. Stattdessen müssen Wärmeleitpads, Gele oder Fette verwendet werden. Dies sind die Arten von Lösungen, die zur Abmilderung von Platzproblemen eingesetzt werden können. Es ist auch wichtig, die Arten von Komponenten und Modulen zu beachten, die Wärme erzeugen, wie z.B. HF-Funkmodule und Stromversorgungen.

Wärmeableitung

Die von einem Bauteil erzeugte Wärme muss aus der Anwendung herausgeführt werden. Es reicht nicht aus, die Wärme zu absorbieren, sie muss auf etwas anderes übertragen werden, entweder auf das Gehäuse, einen anderen Bereich oder in die Luft.

Beim Wärmemanagement geht es darum, dem Bauteil Wärme zu entziehen und sie an anderen Stellen abzuführen. Wenn Wärme von der Komponente absorbiert und nicht abgeführt wird, verlangsamt sie im besten Fall die Leistung und zerstört im schlimmsten Fall das Bauteil.

Bei Anwendungen, bei denen Platz vorhanden ist, können Kühlkörper eingesetzt werden. Eine Wärmesenke ist ein Metall- oder Keramikkörper, der auf das Bauteil aufgesetzt wird. Kühlkörper haben Rippen, die Wärme vom Bauteil an die Luft übertragen. Der Kühlkörper muss fest an der Komponente montiert werden. Die Oberfläche der Komponente mag glatt erscheinen, ist es aber in Wirklichkeit nicht. Die Oberfläche zwischen dem Kühlkörper und der Komponente muss mit einem Zwischenmaterial wie einem flexiblen Kissen, Gel oder Fett gefüllt werden. Einige Kühlkörper werden mit einem in den Sockel integrierten Kissen geliefert.

Abbildung 2: Das Kühlkörperfett von Chemtronics wird verwendet, um die Lücke zwischen dem zu kühlenden Bauteil und einem Kühlkörper für eine verbesserte Wärmeübertragung zu füllen. (Bildquelle: Chemtronics)

Timing

Genauso wichtig wie die Lösung, die gewählt wird, ist, wann diese Wahl getroffen wird. Die beiden wichtigsten technischen Parameter für ein Wärmeleitpad, das eine beliebte Lösung darstellt, ist, wie viel Wärme es abführen kann und wie schnell dies geschieht. Das ist etwas, das vor oder während des Entwurfsprozesses berechnet werden muss. Es muss dann in der eigentlichen Anwendung getestet werden, wobei Ingenieure einbezogen werden sollten.

Der nächste wichtige Parameter, den es zu berücksichtigen gilt, ist, wie flexibel das Pad sein muss. An diesem Punkt ist es auch wichtig zu überlegen, ob bei der Anwendung ein Pad oder ein Gel verwendet werden soll. Ein Gel kann entweder ein Fett oder eine Spachtelmasse sein. Ein Problem mit Fett ist, dass die Wartung problematisch, schmutzig und unsauber werden kann, wenn ein gefettetes Bauteil nachbearbeitet oder repariert werden muss. Außerdem ist Fett auf lange Sicht nicht sehr zuverlässig, da es manchmal seine Form verlieren kann und sich nicht gleichmäßig über die Oberfläche des Bauteils verteilt. Auf der anderen Seite ist Fett viel billiger als andere Lösungen.

Ein Pad ist in den meisten Fällen besser, aber es sollte so zugeschnitten werden, dass es zur Form der Komponente passt. Die benutzerdefinierte Natur der Verwendung einer Pad-Lösung bedeutet, dass sie mehr kosten kann. Einkaufsfachleute sollten all diese Variablen berücksichtigen, zuzüglich der Qualität und der zusätzlichen Zeit, die der Hersteller für das Zuschneiden der Pads benötigt.

Für die Vorlaufzeiten geben die meisten Hersteller eine Standardzeitspanne von etwa fünf bis sechs Wochen an, plus vielleicht ein bis zwei zusätzliche Wochen für das Zuschneiden. Einige Hersteller können bis zu 12 Wochen anbieten, da das verwendete Material eine Kombination aus vielen Rohstoffen ist und somit von anderen Herstellern abhängig ist. Daher können externe Probleme die Vorlaufzeiten verzögern.

So hat beispielsweise das Erdbeben in Japan vor einigen Jahren viele der Leimfabriken ruiniert. Klebstoff ist eine Schlüsselkomponente von Pads, so dass sich die Lieferzeiten auf 16 Wochen oder länger verlängerten. Mit Covid-19 wurden einige Fabriken geschlossen. Aufgrund seines Lagerbestands blieben die Lieferzeiten von Digi-Key jedoch unberührt und der Einfluss der Pandemie war minimal. Letztendlich hängt es von der Anwendung ab und davon, wie die Dinge im Preiswettbewerb stehen.

Rückverfolgbarkeit

Für das Wärmemanagement ist auch die Rückverfolgbarkeit der Komponenten ein wichtiger Gesichtspunkt. Digi-Key kauft nur direkt von Herstellern, um die Authentizität zu gewährleisten. Dies hilft den Käufern auch dabei, potenzielle Probleme mit Prototypen schnell zu isolieren und schneller an die Quelle des Problems zu gelangen.

Ein weiterer Grund, warum die Rückverfolgbarkeit beim Wärmemanagement wichtig ist, ist die Haltbarkeit. Bei speziellen Wärmeleitpads, Fetten oder Kitten ist es wichtig, dass der Händler auf die Haltbarkeit achtet. Die unterschiedlichen Pads und Chemikalien verschiedener Hersteller haben alle eine unterschiedliche Haltbarkeit: manchmal kann sie ein Jahr betragen, manchmal fünf Jahre, und für andere kann sie unbegrenzt sein. Unabhängig davon müssen sie von den Beschaffungsexperten während des Einkaufsprozesses berücksichtigt werden.

Auch wenn die Beschaffung von Lösungen zum Wärmemanagement komplexer sein kann als die typischer elektronischer Komponenten, so kann sie doch eine wirklich lohnende Erfahrung sein, die neue Wege für die Zusammenarbeit von Ingenieurs- und Einkaufsteams eröffnet. Digi-Key bietet tausende verschiedene Produkte von mehr als 65 namhaften Qualitätsherstellern für das Wärmemanagement ab Lager für den sofortigen Versand an. Wie immer stehen Digi-Key und sein hauseigenes Team von Ingenieuren rund um die Uhr zur Verfügung, um den Einkaufsfachleuten, die Entscheidungen über Lösungen zum Wärmemanagement treffen, den bestmöglichen Kundendienst zu bieten.