Zahlreiche elektronische und elektrische Komponenten wie Prozessoren oder Batterien erzeugen Wärme. Das Wärmemanagement ist besonders wichtig für die Unterhaltungselektronik, die zahlreiche sehr leistungsstarke und oft stark verkleinerte Komponenten enthält. Es stellt sicher, dass die Geräte trotz der Wärmeentwicklung zuverlässig funktionieren und nicht beschädigt werden. Für die Wärmeableitung werden verschiedene Materialien und Konzepte mit spezifischen Vor- und Nachteilen eingesetzt.
Wärmemanagement in der Unterhaltungselektronik
Wärmeableitung für die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit von Geräten
31.08.2020
Warum ist das Wärmemanagement heute in vielen Endgeräten wichtig?
Moderne Unterhaltungselektronik wie Smartphones, Tablets, Smartwatches und Smart-Home-Produkte werden mit zunehmender Miniaturisierung der installierten Komponenten immer leistungsfähiger. In diesen Geräten kommen Prozessoren mit Millionen von Halbleiterschaltungen, Displays mit hoher Auflösung und Helligkeit, Batterien mit hoher Energiedichte, Hochleistungs-LEDs und vieles mehr zum Einsatz. All diese Komponenten erzeugen Wärme, die abgeführt werden müssen. Ohne Wärmemanagement besteht die Gefahr von Überhitzung der Komponenten und Geräte und damit auch Gefährdung der Funktionsstabilität und Betriebssicherheit.
Welche Materialien sind für das Wärmemanagement geeignet?
Für das Wärmemanagement werden Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet. Dank der guten Wärmeleitung kann die an den Bauteilen entstehende Wärme an kühlende Komponenten übertragen und abgeführt werden. Metalle wie Silber, Gold, Kupfer und Aluminium sind gute Wärmeleiter. Aluminium ist aufgrund seines niedrigeren Preises, des geringen Gewichts und der einfachen Verarbeitung eins der bevorzugten Materialien. Da Kupfer teurer als Aluminium ist, aber bessere Eigenschaften für die Wärmeleitung besitzt, kommt häufig ein Materialmix aus Aluminium und Kupfer zum Einsatz. Bei geringeren Anforderungen an die Wärmeableitung werden auch Materialien wie Thermoplaste verwendet.
Die Konzepte zur Wärmeableitung
In modernen elektronischen Geräten ist oft kein Platz für aktive Kühlkörper, wie z.B. einem Lüfter. Lüfter verursachen Lärm und benötigen Energie. Aus diesem Grund kommen in der Regel passive Kühlkörper für die Ableitung der Wärme zum Einsatz. Dabei werden die physikalischen Prinzipien der Konduktion (Übertragung von Wärme auf ein anderes, festes Material), der Konvektion (Übertragung von Wärme auf Umgebungsluft/ Flüssigkeiten) und der Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung genutzt. Im Folgenden werden nun die verschiedenen Konzepte detaillierter vorgestellt.
Kühlkörper aus Aluminium auf einer Platine
Kühlkörper
Kühlkörper sind speziell geformte Bauteile aus einem guten Wärmeleiter, wie z.B. Aluminium, mit einer großen Oberfläche. Die Wärme wird vom erzeugenden Bauteil über ein Zwischenmedium, wie z.B. Wärmeleitpaste, auf den Kühlkörper übertragen und von diesem über die Oberfläche an die Umgebungsluft weitergeben. Da die Wärmeabgabe auch über Strahlung erfolgt, sind Kühlkörper häufig schwarz. Viele Hochleistungs-Halbleiterchips sind mit Kühlkörpern ausgestattet.
Der Vorteil von Kühlkörpern ist, dass sie billig und einfach zu verwenden sind. Je mehr Wärme sie jedoch abführen müssen, desto größer müssen die Kühlkörper sein. Hinzu kommt, dass die Ableitung der Wärme in unmittelbarer Nähe des Bauteils erfolgt. Und bei sehr kompakten Geräten mit wenig Platz kann dies ein Problem sein.
Wärmespreizer
Ein Wärmespreizer ist eine dünne Platte aus einem guten Wärmeleiter wie Kupfer oder Aluminium, die direkt auf Halbleiterchips aufgebracht wird. Sie wird oft auf die Chips geklebt oder gelötet. Der Wärmespreizer soll dabei die erzeugte Wärme möglichst großflächig verteilen und besser auf den Kühlkörper übertragen. Darüber hinaus schützt der Wärmespreizer die empfindliche Oberfläche des Bauelements, z.B. einem Prozessor, vor Beschädigungen.
Wärmerohre
Wärmerohre leiten Wärme über längere Strecken ab. Sie trennen die Prozesse der Wärmeaufnahme und der Wärmeabgabe. Diese Elemente sind feste, dünnwandige Rohre aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und enthalten eine geringe Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit wie Wasser oder Ammoniak. Durch die Wärmeübertragung eines Bauteils verdampft die Flüssigkeit im Wärmerohr. Der Dampf strömt zum kühleren Ende des Wärmerohrs und wird dort über Kondensation unter Verwendung einer anderen Kühlkomponente, wie z.B. einem Kühlkörper, abgeführt. Anschließend fließt die Flüssigkeit zurück. Im Vergleich zu einem Kühlkörper, welcher direkt an das Wärme erzeugende Bauteil montiert ist, ermöglicht die zusätzliche Verwendung der Wärmerohre eine Ableitung der Wärme über große Distanzen. Für hochminiaturisierte Unterhaltungselektronik stehen spezielle Nanowärmeröhre mit extrem kleinen Durchmessern zur Verfügung. Diese können sogar auf Leiterplatten zur Wärmeableitung eingesetzt werden.
Kühlsystem mit Kuperrohren
Schlussfolgerung
Das Wärmemanagement in der Unterhaltungselektronik ist auch in Zukunft sehr wichtig. Immer leistungsfähigere Prozessoren, Displays, 5G-Komponenten und Batterien erzeugen viel Wärme, die auf geschickte Weise abgeführt werden müssen. Aktive Kühltechnologien wie Lüfter oder Peltier-Elemente sind in kleinen Geräten kaum noch einsetzbar. Aus diesem Grund ist die passive Wärmeableitung über Kühlkörper, Wärmespreizer oder Wärmerohre die bevorzugte Technik. Diese Konzepte erfordern jedoch in der Regel zusätzliche thermisch ableitende Komponenten, wie z.B. Klebebänder, um ein optimales Wärmemanagement in elektronischen Geräten zu gewährleisten.
