Kühler Kopf für COMs

Flexible Kühllösung für Embedded Computermodule der Standards COM Express™, XTX™ und ETX®.

Mit embedded Computermodulen wie COM Express, XTX und ETX lassen sich kundenspezifische Anwendungen recht einfach realisieren. Die Spezialfunktionen, Stecker und Teile der benötigten Peripherie lassen sich bequem auf einem speziell dazu entwickelten Carrier-Board unterbringen. Der PC selbst wird als COM (Computer-On-Module) einfach aufgesteckt. Die Rechenleistung des COMs und damit auch der Leistungsverbrauch lässt sich in weiten Bereichen skalieren.

Die dazu benötigte Kühlung kann abhängig von der gewählten Leistungsklasse variieren. Eine vernünftig dimensionierte Entwärmung verbessert automatisch die zu erwartende Lebensdauer eines Systems. Eine durchschnittliche Temperaturreduzierung von nur 20 Kelvin bedeutet eine statistische Verdoppelung der Lebenszeit. Ein durchdachtes Kühlkonzept wirkt sich also positiv auf die Qualität und „total cost of ownership“ aus.

Heatspreader

Die embedded Computermodule der Standards COM Express™, XTX™ und ETX® definieren mit dem Heatspreader bereits in der Spezifikation ein mechanisches Kühlinterface. Die Wärme aller heißen Bauelemente, dies sind meistens die Chipsätze und Prozessoren, wird auf den Heatspreader übertragen und an die Kühlung im System übergeben. Dies kann eine thermische Verbindung zum Gehäuse, aber auch eine Heatpipe oder ein Kühlkörper sein.

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau eines Heatspreaders

Der Aufbau des Heatspreaders (Abbildung 1) besteht aus einer Aluminium-Platte mit gleicher Grundfläche wie das COM (Computer-On-Module) selbst. Zur Montage an das COM sind, je nach Typ, 5 bis 7 Abstandshülsen eingepresst. Hier gibt es prinzipiell zwei unterschiedliche Ausführungen. Bei der Modul-Montage von oben (Abbildung 2) werden Hülsen ohne Gewinde verwendet, die Schrauben greifen in die Gewinde der eingelöteten oder eingepressten Abstandshalter auf dem Carrier-Board. Wird das Modul von der Rückseite befestigt, so kommen Hülsen mit Gewinde zum Einsatz; die Abstandshalter zum Carrier-Board haben eine einfache Durchgangsbohrung (Abbildung 3).

Abbildung 2: Heatspreader Montage von der Oberseite

Abbildung 3: Heatspreader Montage von der Rückseite

Um den Abstand zwischen Heatspreader und den wärmeerzeugenden Bauteilen auf dem COM zu überbrücken, werden sogenannte „Thermal Stacks“ verwendet. Diese bestehen aus einer Phase-Change Folie, einem Kupferklotz und einem Thermal-Gap-Pad. Die Größe und Gesamtdicke der Thermal Stacks ist abhängig vom jeweiligen COM. Die Phase-Change Folie wird zwischen Chip und Kupferblock eingesetzt. Diese soll helfen, einen möglichst effektiven Wärmeübergang zwischen dem Chip und dem Block zu erreichen (siehe Abbildung 4).

Die Folie ändert bei einer Erwärmung über 70°C ihren Aggregatzustand (Phase) von fest zu flüssig. Die Phase-Change Folie schmilzt; selbst kleinste Unebenheiten zwischen dem zu kühlenden Bauelement und dem Kupferklotz werden gefüllt. Der damit verbesserte Oberflächenkontakt bewirkt einen deutlich verbesserten Wärmetransport. Im Vergleich zur klassischen Wärmeleitpaste ermöglicht dieses spezielle Design eine vereinfachte Handhabung, Lagerung und einen effektiveren Wärmeübergang.

Das für den Thermal Stack verwendete Kupfer hat zwar eine negative Auswirkung auf das Gesamtgewicht des Verbundes von COM und Heatspreader, aber dennoch überwiegen dessen positive Eigenschaften. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ermöglicht es, auch hochperformante CPUs und Chipsätze zusammen mit einem Heatspreader einzusetzen. Vor allem werden Leistungstransienten vom Kupferklotz durch seine höhere Dichte gut aufgenommen.

Abbildung 4: Detailaufbau eines Thermal Stacks

Zum Ausgleich mechanischer Toleranzen werden flexible, aber trotzdem gut wärmeleitende, Thermal-Gap-Pads verwendet. Die Toleranzen entstehen bei der Fertigung des Heatspreaders und der Bestückung der COMs.

Die effektive Wärmeleitfähigkeit des gesamten Thermal Stacks ist abhängig vom zu überbrückenden Abstand zwischen COM und HSP, dem verwendeten Material der einzelnen Kompenenten und der Dicke der verwendeten Thermal Gap Pads und des Kupferblocks. Da es die Thermal-Gap-Pads nur in bestimmten Stärken gibt, ist es schwer eine Konstellation von Kupferklotz, Thermal Gap Pad und den auszugleichenden Toleranzen zu finden.

In der thermographischen Aufnahme eines COM Express Compact Modules ohne jeder weiterer Kühlung (Abbildung 5) kann man die durch den Heatspreader erreichte Wärmeverteilung auf eine relativ grosse Fläche deutlich erkennen. Für COMs der unteren Leistungsklassen reicht ofmals der Einsatz eines Heatspreaders, ohne einer weiteren Kühlungsanbindung, aus.

Wenn allerdings CPUs in der oberen Leistungsklasse verwendet werden, so ist eine zusätzliche thermische Anbindung des Heatspreaders unbedingt notwendig.

Abbildung 5: Thermographie eines Heatspreaders ohne weiterer Kühlung.
Die Verteilung der Punktförmigen Hitzequellen wird deutlich Sichtbar.

In den meisten Fällen wird der Heatspreader, unter Einsatz eines weiteren Thermal-Gap-Pads zum Ausgleich mechanischer Toleranzen, an ein Metallgehäuse angebunden. Hier fungiert das Metallgehäuse als Kühlkörper. Durch die deutlich vergrößerte Fläche zur Wärmeabgabe können damit auch relativ leistungshungrige Prozessoren passiv auf vernünftige Betriebstemperaturen gehalten werden.

Doch auch für den Einsatz bei besonders niedrigen Temperaturen kann der Heatspreader hilfreich sein. Durch das Anbringen von Heizfolien am Heatspreader kann das COM erwärmt werden. Eine Steuerung im System schaltet beim extremen Kaltstart erst die Heizung ein, erst nach Erreichen eines zulässigen Temperaturbereiches wird das System selbst gestartet. Diese Steuerung kann im einfachsten Falle eine Analogschaltung mit Schwellwert-Überwachung sein.

Thermal Stacks

Die oben bereits beschriebenen „Thermal Stacks“ können auch separat, also ohne Heatspreader, verwendet werden. Im Vergleich zum Heatspreader entfällt hier eine Wärmeübergangsfläche. Damit wird die Temperaturdifferenz deutlich verringert.

Nachteil hierbei ist ein etwas höherer konstruktiver Aufwand. Bei der Nutzung von Heatspreadern, erhält der Kunde bereits vormontierte Heatspreader (Thermal Stack + Aluminiumplatte). Der Heatspreader muss nur noch mit dem COM verschraubt werden. Dann steht dem Kunden die gesamte Heatspreaderfläche zum Anbinden an die Kühllösung zur Verfügung. Bei den Thermal Stacks muss der Kunde selbst die Montage der Thermal Stacks und das Verbinden mit dem COM und der Kühllösung einplanen.

Aktive und passive Standardkühllösungen

Die aktiven und passiven Kühllösungen kommen im Vergleich zur bisherigen Sandwichbauweise von Heatspreader und Kühlkörper ebenfalls mit einer Übergangsschicht weniger aus. Heatspreader und Kühler sind aus einem Stück gefertigt und können so einen schnelleren Wärmetransport gewährleisten.
Bei der aktiven Kühllösung sind die Kühlrippen für einen leistungsfähigen und gleichzeitig sehr geräuscharmen Lüfter ausgespart.

Abbildung 6: Aktive Kühllösung für COM Express Module mit mehr als 35 Watt Verlustleistung

Ob das jeweilige COM in der Kundenapplikation mit der zugehörigen aktiven oder passiven Kühllösung eingesetzt werden kann, hängt von vielen Faktoren wie z.B. der zu erwartenden Umgebungstemperatur, der Auslastung des COM oder auch von besonderen MTBF Anforderungen ab. Grundsätzlich muss die Verwendbarkeit jeder Kühllösung in der Kundenapplikation selbst validiert werden.

Thermisches Konzept

Sicherheit für ein thermisches Konzept gibt eine Simulation des Komplettsystems. Ein erstes thermisches Konzept kann zumeist aber auch schon mit wenigen Parametern abgeschätzt werden.
Folgende Startbedingungen sind festzulegen:

Als Beispiel soll nun hier ein thermisches Konzept mit einem Heatspreader realisiert werden.

Die CPU und der Chipset des conga-X945 mit einer Intel Core™ Duo L2400 CPU haben zusammen eine TDP von 25,3 Watt. Diese Thermal Design Power Angaben sind „Worst Case“ Annahmen. Da der Heatspreader verwendet wird, gilt für das thermische Konzept eine Oberflächentemperatur von 60°C als Limit. Als maximale Umgebungstemperatur werden 40°C angenommen.

Mit diesen Angaben kann nun bestimmt werden, welchen maximalen thermischen Widerstand der verwendete Kühlkörper haben muss, um die Oberflächentemperatur von 60°C am Heatspreader sicherzustellen:

Abbildung 7: Formel zur Dimensionierung eine Kühlkörpers

Beim Einsatz eines Kühlkörpers, kann nun ein entsprechender Typ ausgesucht werden. Bei der Auswahl ist auf die Bauhöhe, die mechanische Orientierung des COMs und die Montierbarkeit von Lüftern zu achten. Wichtig ist auch die Ausrichtung der Kühlfinnen entsprechend der Luftbewegung im System.

Thermische Simulation
Um bereits vor Erstellung eines Prototypen ein genaues Bild über die Temperaturverteilung in einem System zu bekommen, kann eine Simulation durchgerechnet werden. Das Beispiel in Abbildung 8 wurde mit folgenden Randbedingungen erstellt:

• Waagrechter Einbau des COMs
• Freie Luftzirkulation, keine erzwungene Luftbewegung
• Orientierung der Kühlfinnen längs zum COM
• Material des Kühlkörpers: Aluminium
• „Worst Case“ Betrachtung, als Verlustleistung wurden die TDPs der Chips verwendet
• Als zusätzlicher Hotspot wurde ein Speichermodul mit 1,25 Watt Verlustleistung berücksichtigt
• Die weitere Verlustleistung von 3 Watt wurde zur Vereinfachung über die komplette Leiterplatte verteilt.
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In Abbildung 8 ist das Ergebnis dieser Simulation zu sehen. Sowohl die Luftgeschwindigkeit als auch die Temperaturverteilung ist deutlich zu sehen.

Die Simulation kann aber auch einzelne Parameter variieren um so z.B. die optimale Höhe des Kühlkörpers oder auch den besten Abstand zwischen den Kühlrippen zu finden.

Nun kann mittels der thermischen Simulation der Aufbau des Kühlkörpers optimiert werden, indem die variablen Eigenschaften des Kühlkörpers eigenständig von der verwendeten Simulationssoftware Flotherm der Firma Flomerics an die Anforderungen angepasst werden. (Abbildung 8)

Abbildung 8.: Simulationsergebnis (Flotherm der Firma Flomerics)

Alle hier angesprochenen Kühllösungen sind für sämtliche congatec embedded Computermodule der Formfaktoren COM Express, XTX und ETX angepasst. Bei COM Express und XTX Modulen ist eine temperaturabhängige Lüftersteuerung über das embedded Computermodul möglich.

Ein sauber definiertes Kühlkonzept ist eine entscheidende Grundlage zur optimalen Auslegung von Systemlösungen. Die angebotenen Lösungen erlauben eine einfache und kostengünstige Lösung in allen Anwendungsbereichen.

www.congatec.de

Autor: Dipl. Ing. (FH) Oliver Schmidbauer
Studierte Elektrotechnik Fachrichtung Mikroelektronik an der FH Nürnberg. Seit 5 Jahren Entwicklungs-Ingenieur und aktuell im Bereich HW- Entwicklung auf x86- Basis bei der congatec AG tätig. Er begann seine Karriere bei der MEN GmbH als Hardware-Entwickler für kundenspezifische sicherheitsrelevante Systeme.
Sein aktuelles Aufgabengebiet umfasst unter anderem sowohl die thermische Simulation von Baugruppen und Systemen als auch die Betreuung und Durchführung von EMV-Tests und die damit verbundene Optimierung der Embedded Computer Module.