Was ist ein guter Kühlkörper?

Ein Kühlkörper ist ein passiver Wärmetauscher. Das bedeutet, dass es Wärme von einem Objekt auf ein Kühlmittel überträgt, entweder Luft oder Flüssigkeit. Dieses Kühlmittel leitet dann die vom Objekt erzeugte Wärme ab. Kühlkörper werden in vielen wichtigen elektronischen Geräten eingesetzt, unter anderem als zentrale Recheneinheiten in Computern und in der Leistungselektronik. Ein guter Kühlkörper muss aus dem richtigen Material bestehen, um seine Funktion gut zu erfüllen. Neben dem Material des Kühlkörpers selbst ist die thermische Schnittstelle zwischen ihm und dem Bauteil ein weiterer entscheidender Aspekt für seine Funktionsfähigkeit. Glimmer ist mit seinen natürlichen leitfähigen Eigenschaften ein ideales Material für die Verwendung als thermische Schnittstelle und Isolator von Kühlkörpern.

 

Materialien für Kühlkörper

Die gebräuchlichsten Materialien für Kühlkörper sind Aluminium- und Kupferlegierungen. Die Aluminiumlegierung bildet den Ausgangspunkt für viele Kühlkörper. Dies liegt daran, dass die Aluminiumlegierung eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, aber aufgrund ihrer Weichheit auch leicht mechanisch zu manipulieren ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Kupfer und Aluminium miteinander zu verbinden, wobei Aluminium aufgrund seines geringeren Gewichts der dominierende Teil bleibt. Diese Kombination wird zunehmend in Kühlkörpern für Computer verwendet. Obwohl Aluminium, das von einer Kupferplatte umgeben ist, effektiv sein kann, verbinden sich Kupfer und Aluminium nicht immer so fest miteinander wie nötig, was diese billigere Option weniger zuverlässig macht. Ein weiterer Wachstumsbereich sind aus Kohlenstoff gewonnene Materialien, kombiniert mit Aluminium. Dies nutzt das geringere Gewicht von Aluminium, ist aber leitfähiger als Kupfer. Verbundwerkstoffe aus Naturgraphit sind auch bei Kühlkörpern auf dem Vormarsch. Auch hier ist der Vorteil das Gewicht. Im Allgemeinen schneiden herkömmliche Kühlkörper aus Aluminium und Kupfer in Bezug auf die Leistung am konstantesten ab.

Die Bedeutung der thermischen Schnittstelle
Die Wärmeverluste eines leistungselektronischen Bauelements müssen über verschiedene Grenzflächen zwischen den Materialien gelangen. Ein Bauteil hat z. B. ein Gehäuse, von dem aus die Wärme an die Oberfläche des Kühlkörpers gelangen muss. Es gibt auch den Wärmeübergang, der zwischen dem Kühlkörper und seiner Umgebung stattfinden muss. Jede dieser Übertragungen hat ihren eigenen Wärmewiderstand, und die Kombination dieser Faktoren wirkt sich auf die Effizienz des gesamten Systems aus. Daher besteht die Aufgabe der Beziehung zwischen Gerät und Kühlkörper unter Berücksichtigung dieser Dinge darin, den Gesamtwärmewiderstand zu minimieren oder den Wärmefluss zu maximieren. Die Wahl der Materialien, die als thermische Schnittstelle fungieren, kann in dieser Funktion sehr hilfreich sein. In Computerverarbeitungseinheiten wird beispielsweise das Wärmeleitmaterial zwischen dem Prozessor und dem Kühlkörper positioniert. In Verbindung mit anderen Teilen sind Glimmerkomponenten eine äußerst effektive thermische Schnittstelle in Kühlkörpern. Zu diesen Komponenten gehören Glimmer-Unterlegscheiben für die Verwendung mit wärmeleitender Paste und Glimmer-Wafer für die Montage von Halbleitern an Kühlkörpern. Das liegt daran, dass Glimmer leicht, aber stark und sehr anpassungsfähig ist. Es handelt sich um einen technisch überlegenen Isolator, der sowohl intensiven elektrischen Feldern als auch hohen Temperaturen standhält.