Wärmemanagement

Temperaturbelastungen in der Leistungselektronik analysieren

| Autor / Redakteur: Tobias Best * / Gerd Kucera

Bild 1: Die Untersuchung der Temperaturbelastung einer Leistungselektronik mit der Software 6SigmaET vermeidet Probleme, die im fertigen Gerät (etwa einer Stromversorgung) später auftreten können
Bild 1: Die Untersuchung der Temperaturbelastung einer Leistungselektronik mit der Software 6SigmaET vermeidet Probleme, die im fertigen Gerät (etwa einer Stromversorgung) später auftreten können

Die Möglichkeiten zur Einflussnahme auf die Kühlung von IGBTs ist Inhalt dieses Beitrags. Anhand der Software 6SigmaET (Electronic Thermal) wird der Nutzen einer thermischen Simulation skizziert.

Die typische Einleitung eines solchen Artikels befasst sich meist mit dem Laster der Miniaturisierung, den steigenden Leistungen und der ungerechten Welt, die einem auch noch Zuverlässigkeit abverlangt. Herausforderungen, welche den Entwicklungspfad im Leistungssektor schon seit vielen Jahren begleiten. Es gehört mittlerweile zu unserer täglichen Arbeit neben den Anforderungen eines Gerätes in Bezug auf Form und Design, Werkstoffwahl, Gewicht, Geräuschentwicklung, Funktionalität, auch auf die thermischen Belange im Entwicklungsprozess akribisch zu achten. Wird ein Elektroniksystem heiß, hat dies oft Auswirkung auf: Lebensdauer (Alterung der Werkstoffe, Alterung der Elektronikkomponenten), Zuverlässigkeit bzw. Ausfallrisiko, Energiebedarf (Lüfter, Flüssigkeitskühlung), Absicherung gegen Verletzungsgefahr (Oberflächentemperaturen über 60 °C), Herstellungskosten (zusätzliche Kühlmaßnahmen), Gewicht (Kühlkörper) und passive Auswirkungen (Lüftergeräusche und Ausfallgefahr, Alterung der thermischen Interfacemate-rialien).

Dieser Artikel widmet sich einem Detail in der Kühlkette, das große Auswirkung auf die Effizienz einer IGBT-Kühlung hat. Oft taucht in diesem Feld die Frage nach der richtigen Auslegung des Interfacematerials zwischen Kühleinheit und Leistungsmodulen auf. Stiefmütterlich behandelt, nimmt man eine Paste oder ein Pad, wie sie im Labor zur Verfügung stehen, und montiert dieses Interface ohne technisch genauere Betrachtung.

Auf dem Markt existiert eine sehr große Bandbreite des verwendeten Materials. Pads sind mit stark wärmeleitendem Material versetzte Gemische, die meist auf Silikon basieren. Diese wirken teilweise elektrisch leitend oder isolieren. Bei der Montage werden diese geklemmt, adhäsiv vorfixiert oder ein- bzw. zweiseitig selbstklebend geliefert. Die Anforderungen bestimmen den Preis. Die teuersten Varianten sind Pads, die neben einer langsamen Materialalterung, einer hohe Wärmeleitfähigkeit und großen Dicken (aber gut knautschbar) auch noch in sehr komplexen Formen vorgestanzt angeliefert werden.

Die Materialdaten bestimmen den Wärmetransfer

Beim Wärmeleitwert ist zu beachten, dass ein erhöhter Anpressdruck den thermischen Widerstand sogar noch weiter senkt. Dies ist auf den verkürzten thermischen Weg zurückzuführen, welche durch das Pad verläuft. Um den letzten Satz als Brücke zur Wärmeleitpaste zu nutzen: „Auch hier ist die Schichtdicke das Zünglein an der Waage“. Die Wärmeleitpaste ist nur dazu da, die Luft, welche durch die Oberflächenrauigkeit zwischen Kühlsystem und Leistungsmodul eingeschlossen wäre, zu verdrängen.

Luft hat einen Wärmeleitwert bei 20 °C Umgebungstemperatur von 0,026 W/mK. Eine Wärmeleitpaste bietet meist bis zu 10 W/mK und leitet somit um das 400-fache besser als Luft. Eine Aufdickung durch großzügiges Bestreichen (ähnlich einem Butterbrot) führt neben der Unsauberkeit, wenn die Paste mit der Zeit verläuft, zu einem längeren Wärmeweg in einem Medium mit 10 W/mK, welches immer noch um ein vielfaches schlechter ist als Aluminium (210 W/mK), welches die Wärme rasch aufnimmt und schnell weiterführt.

An dieser Stelle der mahnende Finger: Eine perfekte Kühlsenke ist nur so gut, wie der schlechteste thermische Widerstand, welcher die Wärme nur langsam an die Kühlsenke durchlässt. In praktischen Worten: Der größte Kühlkörper taugt nichts, wenn er schlecht montiert ist oder die Wärme durch die Platine ohne Vias oder schlechtes TIM (Thermisches Interface Material) blockiert wird.

Bezugnehmend auf ein Beispiel einer Flüssigkeitskühlung der Firma Fischer Elektronik (Bild 1, mit Dank an Entwicklungsleiter Jürgen Harpain für die Beispieldaten), beschäftigen wir uns mit den Stellschrauben „Wärmeleitpaste“. Das Modell der Kühlplatte, welche mit einem Wasser-Glykol-Gemisch bei 10 l/min durchströmt wird, ist in diesem Artikel leicht vereinfacht. Die schützenswerten Innenkonturen der Kühlplatte, welche durch eine optimierte Kanalführung und einer durchdachten erzwungenen Verwirbelung den Wärmeübergang von Aluminium an die Flüssigkeit optimiert, sind thematisch herausgenommen. Interessieren soll in diesem Beispiel nur das Interfacematerial.

Um dies illustrativ sinnvoll aufarbeiten zu können, bedienen wir uns der Software 6SigmaET. Ein branchenspezifisches Simulationswerkzeug, welches Ingenieure speziell im Bereich Elektronikkühlung für die einfache, schnelle 3D-Wärmeanalyse am virtuellen Prototyp einsetzen. Durch die Möglichkeit des CAD-Importes und der einfachen Definition von Wärmewiderständen ist solch ein thermisches Modell sehr schnell realisiert. Das Lösungsgitter, welches den virtuellen Raum diskretisiert, d.h. in kleine Zellen aufteilt, agiert vollautomatisch im Hintergrund. Somit bleibt dem Ingenieur die Komplexität der Wissenschaft hinter einer modernen Oberfläche verborgen und er kann sich voll und ganz auf das Wesentliche (dem Umsetzen von technischen Ideen) widmen.

Bild 2: Bildschirmdarstellung einer thermischen Berechnung von Leistungsmodulen
Bild 2: Bildschirmdarstellung einer thermischen Berechnung von Leistungsmodulen

Und hier sind wir auch schon beim ersten Kapitel, in welchem wir uns zuallererst mit dem thermischen Ersatzmodell eines IGBT auseinandersetzen. Zum Basiswissen: Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: insulated gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist ein Halbleiterbauelement, welches sich durch seine Robustheit gegenüber Kurzschlüssen besonders auszeichnet. IGBTs sind im Prinzip eine Weiterentwicklung des vertikalen Leistungs-MOSFETs.

Bild 3: Blick in einen offenen IGBT (Bildquelle: Wikipedia, Daniel*D – aufgeschnittener IGBT)
Bild 3: Blick in einen offenen IGBT (Bildquelle: Wikipedia, Daniel*D – aufgeschnittener IGBT)

Aufgeschnitten sieht man, dass das IGBT aus einer filigranen Metallstruktur besteht, eingebettet in einem Kunststoffgehäuse (Bild 3). Neben den punktuellen Wärme-quellen besitzt das IGBT eine Metallfläche, welche die Wärme zielgerichtet spreizt und gerichtet auf die Basisseite ableitet. Diese Kontaktfläche dient zur direkten Anbindung an eine Kühlfläche.

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