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Ich muss ein Geständnis ablegen: Ich mag Kühlkörper. Und warum? Das ist schwer zu erklären, aber ich denke, es sind mehrere Gründe: Sie haben eine Aufgabe (Wärme von einer Quelle abzuleiten), sie sind sichtbar und greifbar, sie erfordern keine Software oder Initialisierung, sie sind zuverlässig, sie sind konsistent und sie machen keine Probleme. Sie sitzen einfach still auf (oder neben) einem Transistor, einem integrierten Schaltkreis (IC) oder einem Modul und verrichten ihre Arbeit so, wie es durch ihre Größe, Geometrie, ihr Material und ihre Platzierung vorgegeben ist, wobei sie sich an den Grundprinzipien der Physik orientieren. Ich habe sogar eine bescheidene Sammlung von Kühlkörpern, die ich im Laufe der Zeit zusammengetragen habe (Abbildungen 1, 2 und 3), und es gibt viele, die ich einfach links liegen lasse.

Natürlich ist „Kühlkörper“ ein Begriff, der von vielen Elektroingenieuren nur beiläufig verwendet wird, vor allem wenn die eigentliche Aufgabe, die Wärmeabzufuhr zu gewährleisten, um die Bauteile angemessen zu kühlen, in die Zuständigkeit von Maschinenbau- oder Gehäusetechnikern fällt. Das ist bedauerlich, denn eine Wärmesenke ist eine „Senke“ (aber nur aus einer Perspektive). Wenn sie Wärme von der Quelle wegzieht, muss sie diese Wärme loswerden, also wird sie zu einer Wärmequelle. Mit anderen Worten: Was für den einen eine Senke ist, ist für den anderen eine Quelle.

Mich stört es, wenn Konstrukteure davon sprechen, eine Wärmesenke zur Kühlung eines Bauteils zu verwenden, und dann so tun, als ob das Problem der überschüssigen Wärme verschwunden wäre. Tut mir leid, aber so funktioniert es nicht. Nach den unumstößlichen Gesetzen der Thermodynamik fließt Wärme nur von einem wärmeren zu einem kälteren Bereich. Wenn Sie keine Maßnahmen ergreifen, um die Wärme von einem Kühlkörper, der an Ihrem Bauteil angebracht ist, durch Konvektion, ein Wärmerohr, Zwangslüftung oder Flüssigkeit abzuführen, wird die Wärme dort bleiben und schließlich einen Staueffekt verursachen, ähnlich wie ein Stau von Autos auf einer Straße, die durch einen Unfall blockiert ist. Sowohl Ihr Bauteil als auch sein Kühlkörper werden immer heißer und erreichen schließlich ein thermisches Gleichgewicht bei einer höheren Temperatur.

Viele der heutigen ICs sind so konzipiert, dass sie ohne Kühlkörper auskommen; dies ist möglich, wenn die thermische Situation des Gesamtsystems richtig konzipiert ist. Das entscheidende Wort an dieser Stelle ist „richtig“. Diese Bauteile haben ein Wärmepad unter ihrem Gehäuse oder nutzen ihre Leitungen, um die Wärme auf das Kupfer der Leiterplatte zu übertragen. Von dort fließt die Wärme zu größeren Kupferflächen, manchmal unter Verwendung spezieller beschichteter Durchsteckmontagen zwischen den Schichten des Boards.

Dies bringt jedoch zwei Probleme mit sich: Erstens ist der Wärmewiderstand der schmalen IC-Leiter und der Durchkontaktierungen hoch, sodass der Wärmefluss behindert wird. Aber nehmen wir einmal an, dass die thermische Modellierung dies zulässt, und gehen wir zum nächsten Problem über: Welche anderen Bauteile in der Fläche können ihre Wärme ebenfalls in dieselbe Kupferebene leiten? Ich habe Designs gesehen, bei denen relativ heiße ICs und passive Bauteile dicht nebeneinander platziert waren, wobei alle davon ausgingen, dass ICs und andere Bauteile ausreichend Fläche auf Leiterplattenkupfer zur Verfügung hätten, um ihre Wärme abzuführen.

Aber Moment mal! So funktioniert das nicht. Wenn die kumulierte Wärme, die auf das Kupfer übertragen wird, eine Temperatur erzeugt, die nahe an oder vielleicht sogar über dem Wert liegt, den Ihre Bauteile abgeben, dann kann diese Wärme nirgendwo hin. Manchmal scheint es, als stünden die Konstrukteure in einem Kreis und zeigten auf die Person zu ihrer Rechten und sagten: „Ich gebe meine überschüssige Wärme an diese Person weiter“. Wir alle wissen, dass eine solche Denkweise nicht gut ausgeht.

Der eigentliche Punkt ist: Kühlkörper sind wunderbar, aber sie funktionieren nicht in einem Vakuum (das Wortspiel ist beabsichtigt), denn in einem echten Vakuum gibt es keine Konvektion, so dass sie sich allein auf die Wärmeleitung verlassen müssen. Jeder Kühlkörper muss zunächst evaluiert werden, um sowohl die Richtung des Wärmeflusses, den er ableitet (wenn die Temperaturdifferenz ausreichend ist), als auch andere Quellen zu berücksichtigen, die möglicherweise die gleiche Kühlzone nutzen, um überschüssige Wärme abzuführen. Letztendlich kann ein Kühlkörper seine Aufgabe nur dann erfüllen, wenn er seine Wärme in geeigneter Weise ableiten kann und somit in der Lage ist, das entsprechende Bauteil zu schützen.