Wärmemanagementlösungen für eingebettete Anwendungen

Die zunehmende Datenverarbeitung am Netzwerkrand (Edge), die Leistungssteigerung und die Miniaturisierung eingebetteter Plattformen haben zu einem Anstieg des Stromverbrauchs und der Hitzeentwicklung geführt, wodurch thermische Hotspots entstehen. Thermische Belastungen können die Leistung von eingebetteten Systemen erheblich beeinträchtigen und sogar zu Ausfällen ganzer Systeme führen. Auch die langfristige Einwirkung von übermäßiger Hitze verkürzt die Lebensdauer elektronischer Bauteile.

Das Verständnis von Wärmemanagementtechniken ist entscheidend für die Aufrechterhaltung eines optimalen Betriebszustands eines Geräts. Die Fortschritte in der Elektronikindustrie haben den Bedarf an innovativen Wärmemanagementtechnologien zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit und -leistung erhöht. Laut Market Research Future wird der globale Markt für Wärmemanagement bis 2030 voraussichtlich 20,3 Mrd. USD erreichen und zwischen 2022 und 2030 um 8 Prozent wachsen.

Thermisches Zubehör ist bei verschiedenen elektronischen Produkten, nicht nur bei FPGAs, aufgrund der beim Betrieb entstehenden Wärme von entscheidender Bedeutung. Ein angemessenes Wärmemanagement ist für die Aufrechterhaltung der Leistung, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit dieser Komponenten unerlässlich. Hier sind einige Beispiele dazu, warum thermisches Zubehör für eine Reihe von Produkten wichtig ist:

1. Mikroprozessoren und CPUs:

• Wärmeentwicklung: CPUs, insbesondere in Hochleistungscomputern und Servern, erzeugen aufgrund intensiver Rechenaufgaben erhebliche Wärme.
• Thermisches Zubehör: Kühlkörper, Wärmeleitpaste und Lüfter sind entscheidend für die Wärmeableitung, die Vermeidung von thermischem Leistungsminderungen und die Gewährleistung einer stabilen Leistung.

2. Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs):

• Hohe Leistungsaufnahme: GPUs, insbesondere in den Bereichen Spiele, KI und Datenverarbeitung, verbrauchen viel Strom und erzeugen eine beträchtliche Menge an Wärme.
• Wärmemanagement: Kühllösungen wie große Kühlkörper, Lüfter und manchmal auch Flüssigkeitskühlung sind notwendig, um optimale Temperaturen aufrechtzuerhalten, Überhitzung zu vermeiden und eine hohe Leistung zu gewährleisten.

3. Stromversorgungseinheiten (PSUs):

• Wärmeableitung: Netzteile wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um, was mit einem erheblichen Energieverlust in Form von Wärme verbunden ist.
• Kühlungslösungen: Aktive Kühlung mit Lüftern und passive Kühlung mit Kühlkörpern sind unerlässlich, um die Effizienz und Langlebigkeit von Netzteilen zu erhalten.

4. Speichermodule (RAM, DRAM):

• Betriebsstabilität: Highspeed-Speichermodule können Wärme erzeugen, die, wenn sie nicht kontrolliert wird, zu Datenbeschädigung oder Systeminstabilität führen kann.
• Thermisches Zubehör: Wärmeverteiler und Lüfter werden zur Wärmeableitung und zur Aufrechterhaltung der Datenintegrität und Geschwindigkeit eingesetzt.

5. Netzwerkausrüstung (Router, Switches):

• Kontinuierlicher Betrieb: Netzwerkgeräte laufen oft rund um die Uhr, was zu einer kontinuierlichen Wärmeentwicklung führt.
• Kühlungsanforderungen: Kühlkörper, Lüfter und manchmal auch Umgebungskühlung (z. B. Klimaanlage in Serverräumen) sind notwendig, um eine gleichmäßige Leistung zu gewährleisten und Ausfälle zu vermeiden.

6. Embedded-Systeme:

• Kompaktes Design: Eingebettete Systeme arbeiten oft in eingeschränkten Umgebungen, in denen die Wärmeableitung schwierig ist.
• Thermische Lösungen: Maßgeschneiderte Kühlkörper, Wärmeleitfolien und spezielle Gehäuse mit Kühlung werden für das Wärmemanagement dieser kompakten Systeme verwendet, um die Zuverlässigkeit in Industrie- und Automobilanwendungen zu gewährleisten.

7. Mobile Geräte (Smartphones, Tablets):

• Thermische Beschränkungen: Mobile Geräte sind kompakt und bieten nur wenig Platz für die Kühlung, aber sie arbeiten mit Hochleistungsprozessoren und Batterien, die Wärme erzeugen.
• Innovative Kühlung: Techniken wie thermische Leistungsminderung, Graphit-Wärmespreizer und fortschrittliche Materialien werden eingesetzt, um die Wärme zu kontrollieren, ohne das Gerät zu vergrößern.

8. Batterien und Stromspeicher:

• Sicherheit und Langlebigkeit: Batterien, insbesondere in Elektrofahrzeugen und Speichersystemen mit hoher Kapazität, erzeugen beim Laden und Entladen Wärme.
• Wärmemanagement: Kühlsysteme, einschließlich Flüssigkeitskühlung, Wärmemanagementsysteme und hitzebeständige Materialien, sind unerlässlich, um eine Überhitzung zu verhindern, die zu einer verkürzten Lebensdauer der Batterie oder sogar zu gefährlichen Situationen führen kann.

9. Telekommunikationsanlagen:

• Kontinuierliche Wärmebelastung: Basisstationen, Antennen und andere Telekommunikationsgeräte erzeugen während des Betriebs ständig Wärme.
• Notwendige Kühlung: Kühlkörper, Lüfter und klimatisierte Gehäuse sind für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Geräte unerlässlich.

10. Hochleistungscomputersysteme (HPC):

• Extreme Wärmeabgabe: HPC-Systeme, die in der wissenschaftlichen Forschung, der künstlichen Intelligenz und der Big-Data-Analyse eingesetzt werden, umfassen dichte Rechencluster, die eine erhebliche Wärmeentwicklung aufweisen.
• Fortschrittliche Kühlung: Flüssigkeitskühlung, Tauchkühlung und ausgeklügelte Luftkühlungssysteme sind entscheidend für das Wärmemanagement und gewährleisten einen unterbrechungsfreien Hochgeschwindigkeitsbetrieb.

Thermisches Zubehör ist für eine breite Palette von elektronischen Produkten unverzichtbar, nicht nur für FPGAs. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Wärmeableitung, verhindern Überhitzung und sorgen dafür, dass Geräte zuverlässig und effizient arbeiten. Ohne ein angemessenes Wärmemanagement kann es bei elektronischen Produkten zu Leistungseinbußen, Instabilität und potenziell katastrophalen Ausfällen kommen. Die Wahl der thermischen Lösungen hängt von den spezifischen Anforderungen des Produkts ab, einschließlich seines Stromverbrauchs, seiner Größe und seiner Betriebsumgebung.

Gängige Wärmeableitungstechniken in eingebetteten Lösungen

Techniken zur Wärmeableitung sind wichtiger denn je, da die Systeme immer kleiner und leistungsfähiger werden. Es können verschiedene Methoden angewendet werden, um Wärme von Bauteilen und Leiterplatten abzuleiten, wobei folgende Mechanismen üblich sind:

Kühlkörper und Lüfter - Kühlkörper sind großflächige, wärmeleitende Metallteile, die als passive Wärmetauscher fungieren und die Wärme durch Konduktion an die Umgebungsluft ableiten. Das Hinzufügen von Lüftern zu Kühlkörpern trägt zu einer schnelleren und effektiveren Wärmeabfuhr bei. Diese Kombination ist eine der gängigsten und effektivsten Methoden zur Kühlung eingebetteter Systeme, insbesondere in Umgebungen mit begrenztem Luftstrom.

Abbildung 1: Dieser Kühlkörper mit Lüfter trägt dazu bei, die Wärme von der/den Komponente(n) abzuleiten, auf die er montiert ist. (Bildquelle: iWave)

Integration von Wärmerohren - Wärmerohre sind Kühlvorrichtungen, die bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden. Ein solches System enthält typischerweise ein Wärmerohr, das eine Flüssigkeit enthält, die Wärme absorbiert, verdampft und sich durch das Rohr bewegt. Am Kondensatorende verwandelt sich der Dampf wieder in eine Flüssigkeit, und der Zyklus wiederholt sich. Wärmerohre sind hocheffizient und können Wärme über große Entfernungen übertragen, was sie ideal für kompakte elektronische Geräte mit hoher Packungsdichte macht.

Wärmeverteiler - Wärmeverteiler haben eine große flache Oberfläche, die in der Regel direkt gegen eine andere große flache Oberfläche gedrückt wird. Sie ermöglichen die Wärmeübertragung von einem kleineren Bauteil auf eine größere Metallfläche. Wärmeverteiler sind ideal für Geräte, die extremen Stößen und Vibrationen standhalten müssen oder in versiegelten Behältern untergebracht sind. Sie bieten eine robuste Lösung für das Wärmemanagement in robusten und versiegelten eingebetteten Systemen.

Thermoelektrische Kühler (TECs) - Thermoelektrische Kühler sind ideal für Systeme, bei denen die Temperatur der Komponenten konstant gehalten werden muss. Prozessoren mit hoher Verlustleistung verwenden oft eine Kombination aus TECs, Luft- und Flüssigkeitskühlung, um die Grenzen der herkömmlichen Luftkühlung zu überschreiten. TECs können Komponenten auf Temperaturen unter der Umgebungstemperatur kühlen und ermöglichen so eine präzise Temperaturkontrolle.

Thermische Durchkontaktierungen - Thermische Durchkontaktierungen werden über kupfergefüllte Bereiche implementiert und in der Nähe von Stromquellen platziert. Bei dieser Methode fließt die Wärme von den Bauteilen in den Kupferbereich und wird über die Luft von den Durchkontaktierungen abgeleitet. Thermische Durchkontaktierungen werden häufig in Stromversorgungsmodulen und Komponenten mit Wärmeleitpads verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte zu verbessern.

Flüssigkeitskühlsysteme - Flüssigkeiten können Wärme viermal schneller übertragen als Luft, was eine höhere thermische Leistung bei kleineren Lösungen ermöglicht. Ein Flüssigkeitskühlsystem umfasst eine Kühlplatte oder ein gekühltes Gehäuse als Schnittstelle zur Wärmequelle, eine Pumpe oder einen Kompressor zur Umwälzung der Flüssigkeit und einen Wärmetauscher zur sicheren Aufnahme und Ableitung der Wärme. Die Flüssigkeitskühlung ist besonders effektiv bei Anwendungen mit hoher Leistung und dicht gepackten elektronischen Baugruppen.

Thermische Lösungen von iWave

Das Expertenteam von iWave, bestehend aus Maschinenbauingenieuren, entwirft Kühlkörper, Lüfter und Gehäuse, die auf die spezifischen thermischen Eigenschaften ihrer Produkte zugeschnitten sind. Sie verwenden thermische Simulationssoftware, um den Ingenieuren zu helfen, die am besten geeigneten Kühlmethoden zu bestimmen und die damit verbundenen thermischen Parameter zu verstehen, was letztendlich die allgemeine Produktzuverlässigkeit verbessert.

Analyse der Wärmestrommuster

Mithilfe von Tools wie Ansys Icepak können iWave-Ingenieure Wärmeflussmuster innerhalb eines Geräts simulieren. Diese Analyse hilft, thermische Hotspots zu identifizieren und die Platzierung von Kühlkomponenten zu optimieren. Wenn Ingenieure verstehen, wie sich Wärme durch ein System bewegt, können sie effektivere Wärmemanagementlösungen entwickeln.

Kundenspezifisches Kühlkörperdesign

iWave entwirft kundenspezifische Kühlkörper, die den einzigartigen Anforderungen jedes Projekts entsprechen. Der Entwurfsprozess umfasst die Berechnung theoretischer Werte für die Wärmeableitung auf der Grundlage von Oberfläche und Materialeigenschaften. Anschließend testen die Ingenieure diese Entwürfe mithilfe von Simulationssoftware, um sicherzustellen, dass sie unter verschiedenen Betriebsbedingungen eine angemessene Kühlung bieten.

Kühlungsmethoden für aktive Geräte

Aktive Kühlmethoden, wie die Integration von TECs und Kühlventilatoren, werden ebenfalls in der Entwurfsphase berücksichtigt. iWave bewertet die Vorteile und Grenzen jeder Methode und wählt die effizienteste und kostengünstigste Lösung für jede Anwendung.

Thermische Lösungen für alle Formfaktoren

iWave bietet thermische Lösungen für alle Formfaktoren, einschließlich OSM, SMARC, Qseven und SODIMM. Für diese Lösungen wird die Aluminiumlegierung AL6063 aufgrund ihrer hervorragenden Materialeigenschaften verwendet. Aluminium ist ein hervorragender Leiter, ungiftig, wiederverwertbar und äußerst langlebig, wodurch es sich ideal für die Wärmeübertragung von Komponenten eignet.

Durch firmeneigene thermische Lösungen können Produktentwickler die Implementierungskosten senken, indem sie Verzögerungen bei der Entwicklung, Feldausfälle und Produktwiederholungen vermeiden. Die Verringerung der vom Gerät abgegebenen Wärmemenge verbessert die Effizienz und Zuverlässigkeit und gewährleistet die Langlebigkeit des Produkts.

Fazit

Die zunehmende Komplexität und Leistungsdichte von eingebetteten Systemen erfordert fortschrittliche Wärmemanagementtechniken. Durch den Einsatz einer Vielzahl von Wärmeableitungsmethoden, von Kühlkörpern und Lüftern bis hin zu Flüssigkeitskühlsystemen und thermischen Durchkontaktierungen, können die Entwickler eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit ihrer Geräte gewährleisten. Unternehmen wie iWave bieten spezialisierte thermische Lösungen an, die auf die besonderen Anforderungen ihrer Produkte zugeschnitten sind. Dabei kommen fortschrittliche Simulationswerkzeuge und kundenspezifische Designs zum Einsatz, um den Herausforderungen moderner Elektronik gerecht zu werden.

Für weitere Informationen über die Expertise von iWave im Bereich thermischer Lösungen wenden Sie sich bitte direkt an das Unternehmen.