Wärmemanagement Elektronikkühlung und Wärmemanagement – Grundlagen und Best Practices

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Am 17. und 18. Oktober 2023 heißt es in Würzburg wieder: Geballtes Wärmemanagement-Know-how für die Elektronik. Neben Grundlagen bietet der zweite Kongresstag Spannendes aus der Elektronikkühlung.

Während der Call for Papers noch läuft, stehen die ersten Referenten für die Cooling Days 2023 bereits fest. Am 17. Oktober werden Prof. Griesinger von der Dualen Hochschule Baden-Württemberg und Tobias Best von Alpha Numercis den Teilnehmern wichtige Grundlagen der Elektronikkühlung sowie die Prinzipien des Wärmemanagements und der Thermosimulation für die Elektronik näher bringen. Das bewährte Format bietet sowohl Experten als auch Neueinsteigern viel Fachwissen aus der Welt der Elektronikkühlung.

Am zweiten Kongresstag, dem 18. Oktober, werden unsere Referenten aus der Praxis berichten. Fest gesetzt in diesem Jahr sind beim Thema Simulation Tobias Best mit seinem Thema „Schnittstellen zur CFD-Temperatursimulation“. In seinem Vortrag geht es um die 3D CFD-Simulation und welche Vorteile sie in der Entwicklung spielt. „Speziell in der Elektronikentwicklung wird die 3D CFD-Simulation an verschiedensten Stationen von der Konzeptphase bis hin zur realistischen Kopie des Prototyps eingesetzt“, sagt Tobias Best. Er wird in seinem Vortrag drei Entwicklungsstadien beleuchten, welche unterschiedlichste Schnittstellen und Objektdetails in das Simulationsmodell einfließen lassen und so der Realität immer näherkommen. „Doch man wird überrascht sein, wie sich mit wenigen Details genug Ergebnisse produzieren lassen, um fundierte Entscheidungen für den weiteren Entwicklungsweg zu treffen“, lässt er in seinen Vortrag blicken.

Hybride Kühlkörper aus Kupfer und Aluminium

Kupfer und Aluminium sind seit jeher die Leitwerkstoffe für thermische und elektrische Leitfähigkeit. „In meinem Vortrag stelle ich die Technologie vor, mit der Hybridkühlkörper aus Aluminium und Kupfer hergestellt werden können“, verrät Michael Dasch von Impact Innovations.

Mit der Cold-Spray-Technik können sowohl Beschichtungen als auch 3D-Drucke von Kühlkörpern und Busbars aus Kupfer und Aluminium hergestellt werden. Hybride Kühlkörper verbessern die Wärmeleitfähigkeit und die Weiterverarbeitung gegenüber reinen Aluminiumkühlkörpern erheblich und sind zudem deutlich günstiger in der Herstellung als reine Kupferkühlkörper.

Temperaturprobleme strategisch vermeiden

Temperaturprobleme können in vielen Fällen bereits in der frühen Designphase von elektronischen Geräten vermieden werden. Bereits während der Schaltplanentwicklung helfen Spice-Simulationen, die Temperaturen in den Chips der Leistungselektronik sowohl im Dauerbetrieb als auch im getakteten Betrieb zu berechnen. „Dabei ist die richtige Auswahl der elektronischen Komponenten unter Berücksichtigung der Erwärmung und der zu erwartenden Umgebungstemperaturen wichtig, damit diese sicher arbeiten können. Intelligente Kühlkonzepte sind erforderlich und sollten bereits in der Designphase erarbeitet werden“, sagt Dirk Linnenbrügger von FlowCAD.

Dabei ist unter anderem das Layout der Leiterplatte zu berücksichtigen. Ein hoher Spannungsabfall kann zur Erwärmung der Leiterplatte beitragen. Durch geeignete Maßnahmen können solche Hot Spots frühzeitig erkannt und beseitigt werden. Eine optimierte Verlegung der Leiterbahnen hilft, den Wärmestau zu minimieren und eine effektive Wärmeableitung zu ermöglichen. Thermisch basierte Regelwerke unterstützen den Leiterplattenentwickler zusätzlich bei der Einhaltung von Bauteilabständen, um eine Erwärmung von vornherein zu vermeiden.

„Die Teilnehmer werden in meinem Vortag etwas darüber lernen, wie sich thermische Probleme systematisch vermeiden lassen und wie ein durchgängiges thermisches Konzept von der Bauteilauswahl bis zur bestückten Baugruppe die Entwärmung unterstützt. Jeder Entwicklungsschritt kann virtuell begleitet werden, so dass kostspielige Fehler vermieden werden“, berichtet Linnenbrügger abschließend.

Neuartige, poröse Leichtbau-Wärmemanagementsysteme

Die fortschreitende Miniaturisierung und die steigenden Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer von elektronischen, mechatronischen und teilweise mechanischen Systemen erfordern immer bessere Wärmemanagementkonzepte.

PORECOOL-Wärmemanagementkomponenten wie Kühlkörper, Wärmetauscher oder Wärmespeicher werden aus einer neuen Leichtbauwerkstoffklasse – dem offenporigen Aluminiumguss – hergestellt. Sie unterscheiden sich wesentlich von konventionellen Massivbauteilen mit Rippen, Lamellen und Stiften, offenporigen Aluminiumschäumen sowie generativ gefertigten TPMS-Strukturen.

„Mit ihren bisher unbekannten Eigenschaften ermöglichen sie unkonventionelle Lösungen im Wärmemanagement mit neuen technischen, ökonomischen und ökologischen Potenzialen“, sagt Eugen Pfeifer von Automoteam aus Stuttgart. Die Werkstoffklasse des offenporigen Aluminiumgusses wurde mit dem „ThinKing Award 2022“ der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg als Innovation des Jahres 2022 mit dem 3. Platz ausgezeichnet.

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