Mit miniaturisierten Heatpipes zu höherer Wärmeabfuhr

Das Wärmemanagement von Leiterplatten wird wegen der Miniaturisierung und zunehmenden Leistungsdichte immer wichtiger. Winzige Heatpipes können da helfen.
Modernes Wärmemanagement von Leiterplatten erfolgt im Wesentlichen durch Zugabe von zusätzlichem Kupfer in die Leiterplatte, und zwar durch konstruktive Massnahmen wie dicke Kupferschichten, durchkontaktierte Löcher, lasergebohrte Durchkontaktierungen mit Kupferfüllung oder sogar Kupfer-Inlays. Zwar können diese Methoden für eine gute Wärme­ableitung sorgen, aber aus verschiedenen Gründen auch mit einigen Nachteilen verbunden sein: Speziell im Fall dicker Kupferschichten, die zur Ableitung der Wärme dienen, wird die Herstellung der Leiter­platten teurer und schwieriger, da neue Anlagen zur Handhabung der schweren, dicken Kupferplatten notwendig sind.

Zudem erfordert das High-Density-­Packaging extrem schmale Kupferbahnen in den Schaltkreisen der Leiterplatten. Das lässt sich nicht so einfach bewerkstelligen, wenn dicke Kupferschichten geätzt werden müssen. In Anwendungsfällen in der Luft- und Raumfahrt spielt ausserdem die Masse eine wichtige Rolle, und auch in modernen Automobilen wie Elektrofahrzeugen gewinnt sie zunehmend an Bedeutung. Darüber hinaus können grössere Mengen von Kupfer, die zur Kühlung verwendet werden, sehr teuer werden. Wärmemanagementkonzepte wie moderne miniaturisierte Heatpipes, die leicht sind, bessere Wärmeleiteigenschaften bieten als Kupfer und sich aufgrund ihrer geringen Grösse für Leiterplatten eignen, können die Herausforderungen des Wärmemanagements in modernen High-End-Anwendungen lösen.

Sehr gute Wärmeübertragungsfähigkeit

Wegen ihrer überragenden Wärmeübertragungsfähigkeit bei relativ geringer Masse können Heatpipes die Wärme sehr wirksam durch die Leiterplatten leiten. Moderne Heatpipes sind so klein, dass sie in Leiterplattenkonstruktionen integriert werden können. Ihre Dicke bewegt sich im Bereich von etwa 400 µm bis 2 mm. AT & S nutzt das firmeneigene Know-how im Einbetten von Komponenten und in der 2.5D-Technologie, um Mini-Heatpipes mit Leiterplatten zu verbinden. Der Einsatz von Heatpipes direkt in der Leiterplatte erlaubt neue Gestaltungsmöglichkeiten wie eine externe Kühlung sowie Wärmeableitung und -ausbreitung.

Die eingebettete oder eingesetzte Heatpipe ist ein passives Bauteil, das in der Lage ist, Wärme in der Leiterplatte über grössere Strecken abzuführen, und zwar wirkungsvoller als herkömmliche Wärmeleiter (z. B. Kupfer). Ihr Mechanismus zur Wärmeableitung basiert auf einen Phasenübergang und dem Transport von Masse. Die Heatpipe ist eine röhrenförmige Konstruktion, die an beiden Enden dicht verschlossen ist und eine Flüssigkeit enthält, in der ein sehr geringer Druck herrscht. Normalerweise besteht das Rohr aus Kupfer, und als Flüssigkeit wird Wasser verwendet.

Hundertfach höhere Wärmeabfuhr

Wenn das eine Ende des Rohrs erwärmt wird, geht das Wasser von der flüssigen in die gasförmige Phase über. Durch den damit verbundenen Druckanstieg strömt der Wasserdampf zum kalten Ende des Rohrs. Dort gibt der Wasserdampf Energie ab und wird wieder flüssig. Durch Kapillarkräfte wird das flüssige Wasser zurück zum erwärmten Ende des Rohrs trans­portiert. Dieser dynamische Prozess wiederholt sich kontinuierlich und führt zu einer Wärmeabfuhr, die hundert bis mehrere tausend Mal so hoch ist wie bei einem Kupferstück mit entsprechenden Massen. Da die Heatpipe hohl ist, bietet sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie wesentlich leichter ist als Kupferstäbe.

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