Kühlkörper geben die Wärme über Leitung, Konvektion und zu einem geringeren Teil über Strahlung an die Umgebung ab (Bild 1). Die Leistung eines Kühlkörpers hängt von Geometrie, Material, Position auf der Leiterplatte und deren Befestigung auf der Komponente ab. Ein zentraler Auswahlparameter ist zwar der thermische Widerstand, der jedoch nicht allein von der Oberfläche, sondern auch von Bauform und Topologie bestimmt wird. Als Referenzwert variiert er je nach Anwendung und ist stets im Kontext von Befestigung, thermischem Kontakt und Bauraum zu betrachten.

Bild 1: Wärmeableitung über den Kühlkörper

Um möglichst eine große Bandbreite an aktuellen Wärmemanagement-Anforderungen abzudecken, hat Würth Elektronik sein Kühlkörper-Portfolio in zwei Bereiche gegliedert: Die WE-HIC-Serie ist für flache Bauteile wie ICs und andere SMT-Komponenten ausgelegt, während die WE-HTO-Serie für bedrahtete TO-Gehäuse wie TO-220 und TO-247 geeignet ist.

Gestanzte oder extrudierte Kühlkörper?

Gestanzte Aluminiumkühlkörper wie jene der WE-HTO-Serie für TO-Transistoren setzen auf Leichtbau und einfache Konstruktion. Sie bestehen aus dünn gestanztem und gebogenem Aluminium mit flachen, weit auseinanderliegenden Rippen und geringer Grundplattendicke. Ihre Kühlleistung liegt unter der extrudierter Kühlkörper, reicht für Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme jedoch aus, bei sehr geringem Gewicht und niedrigen Kosten. Befestigen lassen sie sich per Clip, Kleber oder mechanisch, ihr flaches Profil prädestiniert sie für begrenzte Bauräume. Für leistungsstarke Anwendungen ist ihre thermische Masse dagegen zu gering.

Extrudierte Kühlkörper wie jene der WE-HIC-Serie, zählen zu den verbreitetsten und kosteneffizientesten Lösungen im Thermomanagement. Dabei wird erhitztes Aluminium durch eine Matrize gepresst; es entstehen durchgehende, parallel verlaufende Rippen mit einem guten Verhältnis von Oberfläche zu mechanischer Stabilität. Der Extrusionsprozess ermöglicht zweidimensionale Profilformen bei hoher Wärmeleitfähigkeit. Für IC‑Gehäuse sind extrudierte Kühlkörper besonders effektiv, wenn sie mithilfe geeigneter Wärmeleitmaterialien direkt auf die wärmeerzeugenden Bauteile montiert werden. Das Verfahren eignet sich für große Stückzahlen, ist aber auf zweidimensionale Profile beschränkt. Die durchgehenden Rippen unidirektionaler Kühlkörper sind für einen gleichmäßig gerichteten Luftstrom ausgelegt. Bidirektionale Kühlkörper führen die Wärme dank ihrer Rippengeometrie auch bei undefinierter Strömung aus verschiedenen Richtungen ab.

Das passende Kühlkörper-Design

Ziel jeder Kühlkörperkonstruktion ist es, die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu maximieren und die Bauteiltemperatur im zulässigen Bereich zu halten. Hierfür wird die wärmeabgebende Oberfläche durch Rippen vergrößert. Wie effektiv diese zusätzliche Oberfläche genutzt werden kann, hängt jedoch von der Wärmeverteilung innerhalb des Kühlkörpers ab. Eine weitere Steigerung der Kühlleistung lässt sich durch die Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs erzielen, etwa durch den Wechsel von natürlicher zu erzwungener Konvektion.

Konstruktiv bestimmen drei weitere Eigenschaften die Leistung eines Kühlkörpers: die Grundplattendicke, die Rippendicke und schließlich auch der Rippenabstand. Zweifelsohne beeinflusst die Grundplattendicke maßgeblich die Wärmeverteilung innerhalb des Kühlkörpers. Eine dickere Grundplatte verbessert die seitliche Wärmeausbreitung und reduziert lokale Temperaturspitzen. Oberhalb einer bestimmten Dicke nimmt der thermische Zusatznutzen jedoch deutlich ab, während Gewicht und Materialkosten weiter steigen. Für viele Anwendungen stellen Grundplattendicken von etwa 3 mm einen sinnvollen Kompromiss dar. Bei geringeren Verlustleistungen oder großflächiger Wärmeeinkopplung genügen häufig bereits 1 bis 2 mm. Die optimale Dicke ergibt sich daher aus dem Verhältnis von Verlustleistung, Wärmequellengeometrie und erforderlicher Wärmeverteilung innerhalb des Kühlkörpers.

Ähnlich verhält es sich mit der Rippendicke: Dicke Rippen (> 1 mm) bieten eine hohe thermische Effizienz, begrenzen jedoch die erzielbare Oberfläche. Dünne Rippen (< 0,5 mm) erhöhen die Oberfläche pro Volumeneinheit, jedoch sinken bei sehr kleinen Dicken sowohl die Rippeneffizienz als auch die mechanische Stabilität. Die höchste Kühlleistung wird daher nicht durch die größtmögliche Rippenanzahl erzielt, sondern durch eine optimale Abstimmung von Oberfläche, Wärmeleitung und Luftströmung.

Parallel dazu bestimmt der Rippenabstand, wie effektiv Luft durch den Kühlkörper strömen kann. Bei natürlicher Konvektion begünstigen größere Abstände (> 5 mm) den freien Auftrieb der erwärmten Luft und verhindern Wärmestaus zwischen den Rippen. Engere Abstände (2 bis 4 mm) vergrößern zwar die wärmeabgebende Oberfläche, erhöhen jedoch den Strömungswiderstand und entfalten ihr Potenzial meist erst bei erzwungener Konvektion. Die höchste Kühlleistung wird daher nicht durch den kleinsten möglichen Rippenabstand erzielt, sondern durch eine optimale Abstimmung von Oberfläche und Luftströmung.

Fehler bei der TIM-Auswahl vermeiden

Der kritische Engpass bei der Wärmeabfuhr ist häufig nicht der Kühlkörper selbst, sondern die Grenzfläche zwischen Wärmequelle und Kühlkörper. Auch scheinbar glatte Oberflächen weisen mikroskopische Rauheiten, Riefen und Welligkeiten auf. Die dabei entstehenden Luftspalten wirken aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft als thermische Isolatoren und erhöhen den Wärmewiderstand der Kontaktstelle (Bild 2). Die Aufgabe eines Thermal Interface Materials (TIM) besteht darin, diese Hohlräume zu füllen, Luft zu verdrängen und die tatsächliche Kontaktfläche zwischen den beiden Festkörpern zu vergrößern.

Die Effizienz des Wärmemanagements steht daher maßgeblich mit der Auswahl des geeigneten TIMs in Zusammenhang. Dabei zählt die Auswahl allein anhand der im Datenblatt angegebenen Wärmeleitfähigkeit zu den häufigsten Fehlern im thermischen Design. Ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 8 W/(m·K) ist nicht zwangsläufig leistungsfähiger als ein Material mit 3 W/(m·K). Zwar beschreibt die Wärmeleitfähigkeit eine wichtige Werkstoffeigenschaft und liefert einen ersten Hinweis auf das thermische Potenzial eines Materials, sie berücksichtigt jedoch nicht die tatsächlichen Einsatzbedingungen. Faktoren wie Oberflächenrauheit, Spaltmaß, Beschichtungen, Anpressdruck und die Fähigkeit des Materials, Oberflächenunebenheiten zu benetzen, beeinflussen den resultierenden Wärmewiderstand oft stärker als die reine Wärmeleitfähigkeit.

Bild 2: Der thermische Kontaktwiderstand kann die Gesamtperformance eines thermischen Aufbaus maßgeblich bestimmen.

Aus diesem Grund muss ein TIM stets auf die jeweilige Oberflächenbeschaffenheit und den zu überbrückenden Spalt abgestimmt werden. Um Elektronikfertigern das manuelle Aufbringen des TIM zu ersparen und eine reproduzierbare thermische Anbindung sicherzustellen, bietet Würth Elektronik mit den Produktgruppen WE-HTOI und WE-HICI bereits vorkonfektionierte Kühlkörper an. Für die WE-HTOI-Kühlkörper kommen TIMs der Produktgruppe WE-TINS zum Einsatz, für die WE-HICI-Serie Materialien der WE-TTT-Reihe (Bild 3).

Bild 3: Mit thermischen Interface-Materialien vorkonfektionierte Kühlkörper.
Ob elektronische Baugruppen dauerhaft ihr volles Potenzial entfalten können, entscheidet letztlich nicht eine einzelne Komponente, sondern das Zusammenspiel aller thermischen Schnittstellen: Nur so lässt sich Wärme beherrschen und Leistung sichern.

Link zu den Kühlkörpern:
https://www.we-online.com/de/components/products/tm/thermal-heat-sinks

Link zu den Thermal Interface Materialien:
https://www.we-online.com/de/components/products/tm/gap_filling_solutions

Kontakt:
Maria Cuesta-Martin
Product Manager EMC Shielding & Thermal Materials von Würth Elektronik
Maria.Cuesta@we-online.com