Die thermische Belastung von elektronischen Bauelementen, Baugruppen und Geräten erhöht deren Ausfallrate. Je geringer die Temperatur ist, desto geringer ist die Ausfallrate. Es gibt Untersuchungen nach denen die Ausfallrate bei der Halbierung der Betriebstemperatur um den Faktor 5 bis 10 sinkt. Daher spielt die Wärmeableitung für die Ausfallsicherheit eine entscheidende Rolle.

<< Anzeige >>

CPU-Kühlkörper mit Axial-Lüfter, Foto: Mercateo

Es gibt verschiedene Methoden um die Wärme von Bauteilen und Platinen abzuleiten. Dazu gehört die Konvektion, das ist die Ableitung der Oberflächenwärme der Bauteile in die Luft oder in Flüssigkeiten. Man unterscheidet dabei zwischen natürlicher und erzwungener Konvektion. Bei der natürlichen oder passiven Konvektion erwärmt sich die Luft über dem Bauteil und steigt in die Höhe. Dadurch entsteht ein Luftstrom. Bei der erzwungenen oder aktiven Konvektion erzeugt ein Lüfter einen Luftstrom, der die Wärme von dem Bauteil abführt.

Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen Materialien

Eine andere Methode der Wärmeableitung ist die Konduktion oder Wärmeleitung. Bei der Konduktion erfolgt der Wärmetransport in festen Stoffen wie Kühlkörpern, Wärmeverteilblechen, Wärmeleitpasten, Wärmeleitfolien oder Wärmeleitpads. Die Wärme fließt dabei immer von den Stellen mit höherer Temperatur hin zu den niedrigeren Temperaturen. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit (Lambda) des Materials entscheidend ist für die Wärmeableitung. Die Wärmeleitfähigkeit ist der Kehrwert des Wärmeleitwiderstands und wird in W/(mxK) angegeben und sagt aus welcher Wärmestrom in Watt (W) durch einen Würfel von einem Meter (m) Kantenlänge fließt, wenn der Temperaturunterschied auf beiden Seiten des Würfels ein Kelvin (K) beträgt. Kupfer und Aluminium haben nach Diamant die höchsten Wärmeleitwerte, weswegen sie häufig Kühlkörpern eingesetzt werden.

In thermisch stark belasteten Techniken wie der Automotive-Technik werden Füllstoffe auf Silikonbasis zur Wärmeableitung eingesetzt. Diese Füllstoffe gibt es als Kleber, Gel oder Vergussmasse.

Strangkühlkörper, Foto: Westfalia.de

Die Wärmestrahlung ist ein weiteres Prinzip der Wärmeableitung. Danach strahlen warme Körper Wärmestrahlen ab, kalte Körper absorbieren die Wärmestrahlen. Die Wärmestrahlen sind in ihren Eigenschaften vergleichbar dem sichtbaren Licht, sie können emittiert, reflektiert und absorbiert werden. Wichtig für die Wärmeemission und -absorption ist die Oberflächenbeschaffenheit der Materialien. Besonders hohe Emissions- und Absorptionseigenschaften haben mattschwarze Oberflächen, weswegen Kühlkörper entsprechend lackiert oder oxydiert sind.