Welche Designfaktoren beeinflussen das thermische Verhalten eines Kühlkörpers?

Bei der Auswahl oder Auslegung eines Kühlkörpers müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Wärmewiderstand

Der Wärmefluss zwischen dem Halbleiterchip und der Umgebungsluft wird als eine Reihe von Widerständen gegen den Wärmefluss modelliert. Es gibt einen Widerstand vom Chip zum Gerätegehäuse, vom Gehäuse zum Kühlkörper und vom Kühlkörper zur Umgebung.

Die gebräuchlichsten Materialien für Kühlkörper sind Aluminiumlegierungen. Die Aluminiumlegierung 1050A hat mit 229 W/m•K eine der höheren Wärmeleitfähigkeitswerte, ist aber mechanisch weich. Häufig werden die Aluminiumlegierungen 6060 und 6063 mit Wärmeleitfähigkeitswerten von 166 bzw. 201 W/m•K verwendet. Die Werte sind abhängig von der Härte der Legierung.

Eine Lamelle eines Kühlkörpers kann als eine flache Platte betrachtet werden, in der an einem Ende Wärme fließt und auf ihrem Weg zum anderen an die umgebende Flüssigkeit abgeführt wird. Wenn Wärme durch die Lamelle fließt, nimmt die Kombination aus dem Wärmewiderstand des Kühlkörpers, der die Strömung behindert, und der durch Konvektion verlorenen Wärme ab, die Temperatur der Lamelle und damit die Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit von der Basis bis zum Ende der Lamelle ab.

Ein Spreizwiderstand tritt auf, wenn Wärmeenergie von einer kleinen Fläche auf eine größere Fläche in einer Substanz mit endlicher Wärmeleitfähigkeit übertragen wird. In einem Kühlkörper bedeutet dies, dass sich die Wärme nicht gleichmäßig durch den Kühlkörperboden verteilt. Das Phänomen des Ausbreitungswiderstands zeigt sich darin, wie sich die Wärme von der Wärmequelle ausbreitet und einen großen Temperaturgradienten zwischen der Wärmequelle und den Rändern des Kühlkörpers verursacht.

Ein Pin-Fin-Kühlkörper ist ein Kühlkörper mit Pins, die von seiner Basis aus ragen. Die Stifte können zylindrisch, elliptisch oder quadratisch sein. Ein Pin ist bei weitem einer der gebräuchlichsten Kühlkörpertypen, die auf dem Markt erhältlich sind. Eine zweite Art der Kühlkörperlamellenanordnung ist die gerade Lamelle. Diese verlaufen über die gesamte Länge des Kühlkörpers. Eine Variation des Kühlkörpers mit gerader Lamelle ist ein Cross-Cut-Kühlkörper. In regelmäßigen Abständen wird ein gerader Lamellenkühlkörper geschnitten.