Was ist das Wärmemanagement in der Elektronik?

Das Wärmemanagement in der Elektronik ist eine technische Disziplin, die sich auf das effiziente Wärmemanagement in elektronischen Geräten und Systemen konzentriert. Es verwendet die Physik der Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung und Thermodynamik, um die Komponententemperaturen innerhalb ihres akzeptablen Betriebsbereichs zu halten. Bei unkontrollierter Steuerung steigen die Temperaturen an, die Leistung der Komponenten sinkt, und einige Teile können ausfallen. Außerdem können Verbindungen zwischen Komponenten und Paketen schwächen und brechen. Immer wenn Sie einen Lüfter von Ihrem Laptop hören oder die Hitze auf der Rückseite Ihres Mobiltelefons spüren, erleben Sie ein Wärmemanagement. 

Elektronische Geräte funktionieren, indem sie elektrischen Strom durch Schaltkreise und elektronische Bauteile leiten. Drähte, Leiterbahnen, Verbindungen, Chip-Gehäuse und Komponenten erzeugen Heat, wenn Strom durch den Stromkreis fließt. Wenn das Wärmemanagement nicht effektiv ist, steigt die Temperatur in jedem Bereich eines elektronischen Geräts an, wodurch sich die Materialeigenschaften ändern. Diese Eigenschaftsänderungen können zu mehreren Problemen führen, einschließlich erhöhtem Widerstand, verringerter mechanischer Stärke, Signalverzerrung und letztendlich verringerter Produktleistung und schlechter Benutzererfahrung. Materialien dehnen sich auch beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen, was zu Spannungen in Komponenten führt, die zu mechanischen Ausfällen, Ermüdung und vorzeitiger Alterung der Komponente oder des Systems führen können. 

Von Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen bis hin zur Kühlung von CMOS-Kameras auf Satelliten spielt das Wärmemanagement eine wichtige Rolle für die Gesamtleistung und Robustheit heutiger Elektronikanwendungen. Deshalb ist ein umfassendes Verständnis der verfügbaren Optionen unerlässlich. Seine Anwendung ist zu einem wichtigen Bestandteil der Produktentwicklung geworden und sollte in jeden Schritt des Konstruktionsprozesses einbezogen werden. 

Bevor wir die Einzelheiten zum Management überschüssiger Wärme besprechen, sollten wir erwähnen, dass die Größe eines elektronischen Systems eine wesentliche Rolle bei den Tools spielt, die Ingenieur*innen zum Wärmemanagement verwenden können. Halbleiter-Chip-Gehäuse stellen andere Herausforderungen bei der Erzeugung und Ableitung der Wärme dar als Leiterplatten. Ebenso erfordern Gehäuse mit mehreren Leiterplatten und anderen Wärmequelle wie Netzteilen Lösungen, die sich von Baugruppen wie Racks oder ganzen Rechenzentren unterscheiden. Die Klassifizierungen sind Wärmemanagementlösungen auf Chip-, Komponenten-, Platinen- und Systemebene. 

Ein weiterer wichtiger Unterschied ist das passive und das aktive Wärmemanagement. Lösungen für die Elektronikkühlung, die keine Stromversorgung benötigen, werden als passive Kühlungslösungen bezeichnet. Aktive Kühlungslösungen nutzen Strom, in der Regel Elektrizität, um die Geschwindigkeit von Konvektionsflüssigkeiten zu erhöhen oder ein thermodynamisches oder thermoelektrisches Gerät mit Strom zu versorgen. Passive Kühlung wird im Allgemeinen bevorzugt, da sie keine Energie verbraucht, keine beweglichen Teile hat und kostengünstiger ist. Die Konstruktionen beziehen aktive Systeme ein, da passive Kühlungsmanagementsysteme ein Gerät niemals unter die Umgebungstemperatur kühlen können oder wenn passive Systeme nicht die erforderliche thermische Leistung aufweisen. 

Nachfolgend finden Sie eine Liste der heute am häufigsten verwendeten Methoden des effektiven Wärmemanagements, unterteilt in passive und aktive Lösungen.

Methoden für das passive Wärmemanagement

Wärmeleitmaterialien (TIMs): Material zwischen und um Komponenten herum, das verwendet wird, um diese Komponenten vor hohen Temperaturen zu isolieren oder Wärme von Wärmequellen wegzuleiten. Beim Vergießen und Verkapseln beschichten oder umschließen verschiedene Acryl-, Epoxid-, Silikon- und Urethanharze ein Bauteil, eine Baugruppe oder das gesamte Gerät vollständig. Zusätzliche Materialtypen zwischen den Komponenten, einschließlich Klebstoffe, Gele und Fette, sorgen für eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen den Elementen.

Wärmespreizer: Ein Objekt, das die Wärme von einer heißen Stelle an eine kühlere Stelle oder an eine andere Wärmemanagementlösung überträgt. Die Geometrie und das Material eines Halbleitergehäuses, einer Leiterplatte oder eines Elektronikgehäuses leiten Wärmeenergie von heißen Stellen weg. Auf Gehäuse- und Platinenebene werden Kugelgitter, Drähte, Durchkontakte und Masseebenen verwendet. In Gehäusen wird Wärme von Platinen und Leistungselektronik über Befestigungselemente und Keilverschlüsse direkt in das Gehäuse oder andere Geräte des Wärmemanagements übertragen.

Freie Konvektion: Der gängigste und kostengünstigste Mechanismus zur Kühlung ist die natürliche Konvektion der Luft um ein Objekt mit hoher Temperatur. Da heiße Luft aufgrund des Auftriebs steigt, bewegt sich die Wärmeenergie eines heißen Objekts in die Luft, dann nach oben und weg vom Teil und zieht kühlere Luft ein, um die warme Luft zu ersetzen. Obwohl Luft die häufigste Flüssigkeit in freier Konvektion ist, verwenden anspruchsvollere Anwendungen andere Gase und Flüssigkeiten. 

Kühlkörper: Ein Objekt, das an einer Wärmequelle angebracht ist und die Wärme vom Quellenobjekt wegleitet und sie dann durch konvektive Wärmeübertragung an eine Flüssigkeit abgibt. Die Konstruktion der Kühlkörper maximiert die Oberflächenfläche, aus der die Konvektionsflüssigkeit Wärme ziehen kann. Die Kühlkörper sind am häufigsten in Wärmequellen wie CPUs, Leistungselektronikkomponenten und Lasern zu finden. 

Wärmerohre: Ein Gerät, das die Phasenänderung in einem flüchtigen Material nutzt, um thermische Energie aus einer Wärmequelle zu absorbieren. Die Energie wandelt die Flüssigkeit in einen Dampf um, und der Dampf fließt entlang des Wärmerohrs zum anderen Ende, wo der Dampf kondensiert und zum heißen Ende zurückkehrt, um den Zyklus zu wiederholen. 

Infrarotstrahler: Eine große, flache Metallplatte, die mit Hilfe von Infrarotstrahlung Wärmeenergie von der Platte wegleitet. Zu den Konstruktionen gehören Strahler für Anwendungen, bei denen es keine Möglichkeit gibt, Wärme zu konvektieren oder aus Systemen zu leiten, normalerweise im Weltraum. 

Methoden für das aktive Wärmemanagement 

Erzwungene Konvektion und erzwungene Luftkühlung: Betriebene Geräte, die Lüfter oder Gebläse verwenden, um einen Luftstrom über Komponenten oder Kühlkörper zu erzeugen. Die höhere Luftgeschwindigkeit erhöht die konvektive Wärmeübertragung und zieht daher mehr Wärme vom Objekt ab. 

Flüssigkeitskühlung: Eine Wärmemanagementmethode, bei der eine Flüssigkeit über eine Wärmequelle fließt, um Wärme zu absorbieren und von der Wärmequelle wegzuleiten. Bei der Flüssigkeitskühlung wird häufig die Flüssigkeit mit erzwungener Konvektion oder einem Wärmetauscher (z. B. Kühler) gekühlt, bevor sie zur Wärmequelle zurückkehrt. Hochleistungscomputer, Batteriesysteme, Elektromotoren und Elektrofahrzeuge sind häufige Beispiele für die Verwendung von Flüssigkeitskühlung. 

Jet Impingement-Kühlung: Eine hocheffiziente Kühllösung, die eine Flüssigkeit durch eine Düse auf die Wärmequelle strömt. Die viel höheren Geschwindigkeiten, Turbulenzen und manchmal Verdampfung an der Aufprallfläche erhöhen die Wärmeübertragung vom Objekt auf die Flüssigkeit erheblich. 

Spritzkühlung: Ein Ansatz, der der Strahlaufprallkühlung ähnelt, aber anstelle eines Flüssigkeitsstrahls wird ein Kühlmittel in kleine Tropfen zerstäubt, die verdampfen, wenn sie auf die Wärmequelle treffen. Diese Phasentransformation absorbiert deutlich mehr Energie als Konvektion. 

Kältetechnik: Ein thermodynamischer Zyklus der Dampfkompression verwendet Komprimierung, Kondensation, Expansion und Phasenänderung, um Wärme aus einer Quelle zu ziehen. Dieser Ansatz ist besonders nützlich, wenn die Umgebungstemperatur deutlich über der erforderlichen Betriebstemperatur der Elektronik liegt. Rechenzentren sind ein gängiges Beispiel für den Einsatz der Kältetechnik zur Kühlung von Arbeitsflüssigkeiten für freie Konvektion, erzwungene Konvektion und Flüssigkeitskühlsysteme.

Widerstandsheizung: Die meisten Wärmemanagementmethoden wurden entwickelt, um Wärme von einem elektronischen System oder einer Komponente zu entfernen. In einigen Anwendungen arbeiten Geräte jedoch bei extremer Kälte, und Ingenieur*innen müssen resistive Heizelemente in ihre Konstruktionen integrieren, um die Temperatur in einen akzeptablen Betriebsbereich zu erhöhen. Resistive Heizelemente sind häufig in der weltraumbasierten Elektronik, in einigen Automobilelektronik und in verschiedenen Internet of Things (IoT)-Anwendungen, die in extremen Umgebungen eingesetzt werden. 

Thermoelektrische Kühlung: Ein Festkörpergerät, das den Peltier-Effekt nutzt, um elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln. Strom fließt durch zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien, wodurch die Temperatur auf einer Seite steigt und die Temperatur auf der anderen Seite sinkt. Diese Seite mit niedrigerer Temperatur kann direkt an eine Elektronikkomponente angeschlossen werden, die gekühlt werden muss. 

Ingenieur*innen, die elektronische Systeme entwickeln, von einem winzigen Mikrochip bis hin zu einem riesigen Rechenzentrum, müssen das thermische Verhalten des Systems untersuchen und anschließend Wärmemanagementlösungen wählen, die die thermischen Leistungskriterien des Systems erfüllen, kosteneffektiv sind und keine Probleme mit den elektrischen oder mechanischen Anforderungen des Systems verursachen. 

Die Konstruktion für das Wärmemanagement sollte in den gesamten Produktkonstruktionsprozess im Allgemeinen und den simulationsgesteuerten Konstruktionsprozess im Besonderen integriert werden. Die folgenden Techniken ermöglichen es dem Entwicklungsteam, die Anwendung zu verstehen, Kompromisse schnell auszuwerten und eine Lösung zu optimieren.

Charakterisierung der Komponenten

Eine effektive Wärmemanagementlösung beginnt mit der Kenntnis der thermischen Eigenschaften der Komponenten, die in das System eingebaut werden. Das Konstruktionsteam sollte zunächst technische Informationen wie Geometrie, Materialeigenschaften, Wärmeerzeugung, Wärmekapazität, Standardbetriebsbedingungen und zulässige Betriebstemperaturen für jede Elektronik- und mechanische Komponente im System sammeln. 

Diese Werte können vom Lieferanten abgerufen werden, oder Sie müssen thermische Charakterisierungstests durchführen. Um die Wärmeableitung zu schätzen, führen Elektroingenieur*innen in der Regel Schaltungsmodelle aus, die auf dem elektrischen Verhalten in den Datenblättern der Komponenten basieren. Simulation kann auch verwendet werden, um zulässige thermische Dehnungen in Komponenten und Verbindungen zu bestimmen oder das thermische Verhalten einer Baugruppe von Komponenten zu charakterisieren. 

Bewertung der Umgebung

Sobald das Team weiß, was im Inneren des elektronischen Systems vor sich geht, muss es die Umgebung verstehen, in der das System betrieben wird. 

Die Optionen für die thermische Kühlung in der Unterhaltungselektronik unterscheiden sich grundlegend von den Optionen für das Wärmemanagement in der Avionik. 

Das Vermeiden von Überhitzung in einem Smartphone beschränkt sich auf das, was in das Gehäuse passt, und der einzige Ort, an dem Wärme abgeleitet werden kann, ist die Luft um das Gerät herum. Ein Avionik-Paket in einem Kampfflugzeug verfügt über gekühlte Hochdruckluft, die in ein Gehäuse geblasen werden kann. Industrielle IoT-Geräte haben möglicherweise keinen Zugang zu kühlen Umgebungstemperaturen, gekühlter Luft oder Wasser. Die beste Lösung für diese Anwendung kann ein integrierter thermoelektrischer Kühler sein. In ähnlicher Weise können Normen und Vorschriften in einer bestimmten Branche bestimmen, welche Methoden des Wärmemanagements verwendet werden können. 

Thermische Simulation

Die große Auswahl an Optionen und der Kompromiss zwischen konkurrierenden Anforderungen machen Simulation zu einem perfekten Tool für die Entwicklung einer Wärmemanagementlösung. 

Auf der Ebene des Halbleiter-Chip-Gehäuses können Konstrukteur*innen den Ansatz der Kapselung, die Position von thermischen Lötanschlüssen und thermischen Durchkontakten sowie die Dicke der Masseebenen iterieren. 

Am anderen Ende des Größenspektrums kann der Luftstrom in einem Rechenzentrum in und um Racks über ein ganzes Stockwerk hinweg modelliert und mit CFD (Computational Fluid Dynamics) optimiert werden. 

Die Ansys Icepak®-Software ist ein gutes Beispiel für eine CFD-Lösung, die speziell für die Elektronikkühlung auf Komponenten-, Platinen- und Gehäuseebene entwickelt wurde. Sie ermöglicht Ingenieur*innen, Konstruktionen direkt zu importieren und Wärmemanagementlösungen schnell zu modellieren. Auf Chip-Ebene verlassen sich die Ingenieur*innen auf Ansys Redhawk-SC Electrothermal™-Software als Signoff-Lösung für 2.5D- und 3D-IC-Systeme. Die Redhawk-SC Electrothermal-Software stellt eine Verbindung mit der Icepak-Software her, um ein systemfähiges Chipdesign zu ermöglichen.

Eine weitere Quelle der Wärme, die Ingenieur*innen verwalten müssen, ist Wärme, die durch den Einsatz von Elektromagnetik in elektronischen Anwendungen erzeugt wird. Hochfrequenzanwendungen wie Hochleistungsantennen erzeugen Wärme aufgrund von Verlusten in den Medien, die die elektromagnetischen Wellen durchlaufen. Ein Tool wie die Ansys HFSS™ Software kann die Menge der erzeugten Wärme vorhersagen, die dann als Randbedingung auf thermische Simulationen angewendet wird, die zur Optimierung des Wärmemanagements in der gesamten elektronischen Baugruppe verwendet werden. 

Ebenso produzieren Niederfrequenzanwendungen wie Elektromotoren, Netzteile und drahtloses Laden in Unterhaltungselektronik wie Mobiltelefonen, Smartwatches und VR-Headsets Wärme. Ansys Maxwell® Software kann diese Verluste modellieren und genaue Werte für Wärmequellen bei der Simulation elektronischer Wärmemanagementlösungen liefern. 

Sobald die Konstruktion von Komponenten und Baugruppen durch Simulation oder Tests charakterisiert ist, können sie auf Systemebene als Modelle reduzierter Ordnung (ROMs) dargestellt werden, und das gesamte thermische System kann mit einem Tool wie Ansys ModelCenter® Software erforscht und optimiert werden. Ingenieur*innen können dann Kompromissstudien durchführen, um die besten Wärmemanagementmethoden für mehrere Anwendungsfälle zu ermitteln. 

Auswahl der Kühlmethode

Sobald die interne Konfiguration und die externe Umgebung verstanden und die Komponenten und Systeme mithilfe der thermischen Simulation modelliert wurden, kann das Team mit dem iterativen Prozess der Auswahl der richtigen Kühlmethoden beginnen, was die virtuelle Bewertung vieler verschiedener Optionen ermöglicht. 

Ein gutes Beispiel dafür, wie scheinbar unabhängige technologische Fortschritte die Zukunft des Wärmemanagements beeinflussen werden, ist der jüngste Boom bei künstlicher Intelligenz (KI). Große Sprachmodelle (LLMs) verwenden viele GPUs, was das Wärmemanagement bei der Bereitstellung von Kühlungstechniken, die für große Rechenzentren geeignet sind, erschwert. 

Mit zunehmender und wachsender digitaler Welt wird der Bedarf an Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitselektronik weiterhin Innovationen im Wärmemanagement vorantreiben. Aufgrund dieses Trends sind effizientere Kühllösungen, die Optimierung der Strahlkühlung, effektivere thermoelektrische Geräte und fortschrittliche Kühlstrategien wie Tauchkühlung zu erwarten.

Während High-Performance-Computing Anwendungen die Lösungen in eine Richtung vorantreiben werden, treibt die kontinuierliche Miniaturisierung von Komponenten und Systemen die Branche in andere Richtungen. Ein spannender neuer Forschungsbereich sind die Thermotransistoren. Diese Transistoren können den Wärmefluss nach Bedarf steuern und die Kühlung möglicherweise an die erforderlichen Stellen leiten, anstatt den gesamten Chip zu kühlen. 

Die effektivste und wirkungsvollste Verbesserung des Wärmemanagements ist die kontinuierliche Steigerung der Leistungsfähigkeit und Effizienz bei der Simulation. Diese Softwareklasse wird KI integrieren, ihre Integration in Konstruktionssysteme verbessern, die Benutzerproduktivität steigern und die Physik weiter koppeln, während gleichzeitig die erhöhte Rechenleistung genutzt wird, die ihre Nutzung ermöglicht. 

Zugehörige Ressourcen