Congatec AG
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Full Speed mit kühlem Kopf

Clevere Cooling Pipes für ungebremste Performance

Elektronik wird kontinuierlich leistungsfähiger. Die Anzahl der Funktionen in den Bauelementen steigt, die Packungsdichte im Chip und auf der Platine wird höher und pro Flächeneinheit wird mehr Wärme erzeugt. congatecs neues, zum Patent angemeldetes Kühlkonzept für COM-Express Module ebnet den Weg für zukünftiges Performance-Wachstum.

Leistung macht heiß

Die Wärme verteilt sich nicht gleichmäßig auf der Platine. Rund um Prozessoren und ihre Chipsätze entstehen Hitze-Spots, denn diese Bauteile erzeugen die meiste Wärme. In den Prozessoren sind deshalb Schutzmechanismen eingebaut, um eine Überhitzung und damit einhergehende Zerstörung zu verhindern. Der Anwender will aber die volle Performance nutzen. Heruntertakten der CPU oder gar Abschalten des Prozessors sind deshalb nur Notfallpläne. Es braucht neue Kühlkonzepte, damit die angebotene Rechenleistung sich voll entfalten kann. Bisherige Kühllösungen stoßen bereits heute an ihre Grenzen und der Trend zu mehr Leistung ist weiterhin ungebrochen.

Das Konzept der COM-Express Module macht Kundenprodukte zukunftssicher. Auf die bestehende, kundenspezifische Basisplatine können immer leistungsstärkere COM-Express Prozessormodule aufgesteckt werden. Das skalierbare Konzept unterstützt Kunden dabei, schnell und kostengünstig die unterschiedlichesten Einsatzgebiete erfolgreich abdecken zu können. Für volle Performance muss das Prozessorsystem aber kühl bleiben.

Klassische Kühlkette bis maximal 35W

In der klassischen Kühlkette eines Moduls sind sandwichartig verschiedene Funktionen übereinander gestapelt. Auf dem Chip ist ein Kupfer- oder Aluminiumklötzchen als Wärmeaufnehmer aufgebracht. Optional befindet sich ein Phase-Change Material zwischen Chip und Wärmeaufnehmer. Dieses Phase-Change Material federt thermische Spitzenbelastungen ab. Durch die unterschiedlich hohen Bauteile, sowie Fertigungstoleranzen, kommt als nächste Schicht ein höhenausgleichendes, wärmeleitfähiges Material, der sogenannte Gap-Filler. Den Abschluss bildet der Heatspreader, eine rund 3mm starke Aluminium- oder Kupferplatte. Es wird die Wärme des kompletten Moduls auf das Gesamtsystem verteilt. Ab dem Heatspreader entwärmen die üblichen Kühlkonzepte das Gesamtsystem.

Die Module sind in ihren Anschlüssen und Abmaßen durch die COM-Express Spezifikation festgelegt. Die Normung stellt einerseits die Kompatibilität sicher, andererseits kann wegen der festgelegten Abmaße ein Kühlkörper nicht beliebig groß dimensioniert werden. Deshalb kann dieser Modul-Kühlaufbau nur für Module mit einer Verlustleistung bis maximal 35W eingesetzt werden

Hot-Spots unerwünscht

Das neue COM-Express Modul conga-BM67 enthält einen Intel® Core™ i5 oder i7. Die erzeugte Verlustleistung dieser Prozessoren liegt deutlich über 35W. Das eigentliche Problem sind die Hitze-Spots rund um Prozessor und Chipsatz.  Durch das verbesserte Kühlkonzept ergibt sich eine niedrigere Prozessortemperatur die maßgeblich ist für eine häufigere Aktivierung der Turbo Boost Technik der 2. Generation, um die maximale Leistung und Energieeffizienz zu erzielen.
Der Prozessor kann somit auf einem höheren Niveau arbeiten, als durch die maximal zulässige Verlustleistung (TDP) vorgegeben ist.

Grenzen der herkömmlichen Lösung

Wichtig für eine gute Entwärmung ist eine perfekte thermische Kopplung an die Kühlung. Die Wärmeleitfähigkeit von Gap-Filler Material ist begrenzt. Sind hohe Verlustleistungen abzuführen, wird zwangsläufig die Gap-Filler-Schicht dünner. Dünne Gap-Filler-Schichten haben ein geringeres mechanisches Ausgleichspotential. Um Höhenunterschiede der Bauteile auszugleichen muss der Anpressdruck steigen. Ab einem bestimmten Anpressdruck verbiegt sich aber die Leiterplatte. Das führt zur mechanischen Zerstörung von Anschlüssen. Lötpunkte von Ball-Grid-Array-Gehäusen (BGA) können abbrechen, Vias in der Platine abreißen. Die Kühlleistung hängt stark von der wärmeaufnehmenden Materialmenge und der abgebenden Oberfläche ab. Kupfer ist teuer, große Kühlkörper sind schwer und brauchen Platz, der nicht vorhanden ist. Nur den Kühlkörper zu vergrößern ist deshalb keine zukunftsträchtige Lösung.

Heatpipe - die Alternative?

Im Laptop lösen Heatpipes (Wärme-Rohre) das Problem. Heatpipes transportieren etwa 100 bis 1000 Mal höhere Wärmemengen als ein entsprechendes Rohr aus massivem Kupfer. Das Geheimnis liegt in dem physikalischen Fakt, das beim Verdampfen Energie aufgenommen und beim Kondensieren wieder freigegeben wird. Die Heatpipe ist an die heiße Seite und an eine kühlende Seite angeschlossen.
Sie ist mit einem Arbeitsmedium gefüllt. Dieses verdampft an der heißen Seite und kondensiert an der kühlen Seite. Das Kondensat gelangt durch Kapillarkräfte zurück an die heiße Seite und der Kreislauf beginnt von neuem. In der Heatpipe herrscht Unterdruck, das Arbeitsmedium verdampft also auch schon bei niedrigen Temperaturen. Die Kapillarkräfte hängen vom Aufbau der Heatpipe ab. Geometrie und Lage beeinflussen die Transportgeschwindigkeit des Mediums und damit die Kühlleistung. Zu beachten sind Biegeradien, Durchmesser des Wärme-Rohres und Einbaulage. Ein Laptop hat vergleichsweise viel Platz um eine Heatpipe-Lösung unterzubringen. COM-Module hingegen müssen immer an der gleichen geometrischen Position an die Kühllösung des Gesamtsystems angeschlossen werden, denn die Module sind frei austauschbar.

Klassik trifft Heatpipe

Schnelle Spot-Entwärmung, gute thermische Anbindung, Wegfall des mechanischen Stresses und höhere Kühlleistung bei gleichzeitig identischen geometrischen Abmessungen - eine Aufgabe, die auf den ersten Blick wie die Quadratur des Kreises aussieht. congatec meisterte die Herausforderung durch eine geschickte Kombination der klassischen Lösung mit konstruktiv veränderter Heatpipe. Etwa ein Jahr hat Konrad Paffinger bei congatec an seiner Idee gefeilt, bis sie serienreif war. Im Gegensatz zum klassischen Aufbau wird nun eine abgeflachte Heatpipe zur Wärmeübertragung vom Chip zur Heatspreader-Platte verwendet. Die Heatpipe ist an dem Kühlklötzchen des Chips und an der Heatspreader-Platte direkt befestigt. Dadurch steigt der Wärmetransport aus der Prozessorumgebung zum Heatspreader, die Spots werden schneller entwärmt und der Prozessor optimal gekühlt. Spiralfedern mit definierter Federkonstanten und auch die Heatpipe selbst in ihrer flexiblen Höhe sorgen für einen optimalen Anpressdruck an den Prozessorchip. Fertigungstoleranzen beim Lötprozess oder Bauhöhendifferenzen der Chips werden somit in jede Richtung ausgeglichen. Dadurch wird die Gap-Filler-Schicht überflüssig. Ein weiterer Vorteil, denn aus Gap-Filler Materialien können bei Wärmebelastung Silikonöldämpfe austreten und sich an anderer Stelle störend niederschlagen. Aussparungen im Heatspreader nehmen die abgeflachte Heatpipe auf. Dadurch bleibt die Bauhöhe identisch. In der Wärmezone der Heatpipe liegt sie frei in einer Aussparung, in der Kondensationszone hingegen liegt sie in einer Nut großflächig auf der Heatspreader-Platte. So bleibt genügend Platz zum Auslenken des Rohres und dennoch ist die Heatpipe thermisch perfekt an beide Seiten gekoppelt.

Neues Kühlmodul beflügelt innovative Kundenideen

congatecs neue Kühllösung schafft Freiräume für innovative Kundenideen. Beispielsweise kann die Heatpipe so gestaltet werden, dass sie an kundenspezifische Kühlkörper angeschlossen werden kann. Zusammen mit entsprechend dimensionierten Kühlrippenoberflächen am Gehäuse sind lüfterlose Designs möglich. Die jeweilige Ausgestaltung hängt letzlich von der Anwendung ab. Die wesentlichen Merkmale des Konzeptes sind genauso bei anderen elektronischen Schaltungen einsetzbar. Hitzespots treten auch in Powermodulen auf. Halbleiterschaltungen in Gleich- und Wechselrichtern könnten davon profitieren und ihre Wärme gezielt, kostengünstig und mit kleinen Geometrien kühlen.

Höhere Lebensdauer durch thermische Reserve

Die neue Kühllösung empfiehlt sich auch bei geringeren Verlustleistungen. Die Module bekommen eine höhere thermische Reserve wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit steigt. Eine durchschnittliche Temperaturreduzierung von nur 5 Kelvin kann eine statistische Verdopplung der Lebenszeit bedeuten. Ein überzeugendes Argument, wenn man die Gesamtkosten über die Lebensdauer eines Systems betrachtet.

Die Vorteile auf einen Blick:

  • Schnelle Spot-Entwärmung für volle Performance
  • Wegfall der Gap-Fillerschicht
  • Wegfall des mechanischen Stress führt zu höherer Qualität
  • Bessere Entwärmung verlängert die Lebensdauer des Modules
  • Das Heatpipe Prinzip macht kundenspezifische innovative Kühlkonzepte möglich

Zusammenfassung:

congatec stößt mit der neuen, zum Patent angemeldeten Kühllösung für COM-Module in neue Leistungsdimensionen vor.