Thermische Simulation

Was Simulationssoftware für das Wärmemanagement bringen kann

| Autor / Redakteur: Tobias Best * / Kristin Rinortner

Simulationssoftware: Bei der Untersuchung der Temperaturbelastung einer Leistungselektronik vermeiden Simulationstools Probleme, die im fertigen Gerät später auftreten können
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Simulationssoftware: Bei der Untersuchung der Temperaturbelastung einer Leistungselektronik vermeiden Simulationstools Probleme, die im fertigen Gerät später auftreten können (Bild: Alpha-Numerics)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit denen man die Kühlung von Leistungselektronik-Bauelementen wie IGBT optimieren kann. Tools zur thermischen Simulation sind hier ein unverzichtbares Hilfsmittel.

Die zunehmende Miniaturisierung, steigende Leistungen und höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit sind Herausforderungen, die den Entwicklungspfad im Leistungssektor schon seit vielen Jahren begleiten. Es gehört mittlerweile zum Alltag, neben den Anforderungen eines Gerätes hinsichtlich Form und Design, Werkstoff, Gewicht, Geräuschentwicklung und Funktionalität auch auf die thermischen Belange 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 Interfacematerialien).

Der Artikel widmet sich einem Detail in der Kühlkette, das große Auswirkung auf die Effizienz einer IGBT-Kühlung hat. Oft taucht in diesem Zusammenhang 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 verwendbaren Materials. Pads sind mit stark wärmeleitendem Material versetzte Gemische, die meist auf Silikon basieren. Diese wirken teilweise elektrisch leitend oder isolierend. Bei der Montage werden diese geklemmt, adhäsiv vorfixiert oder ein- bzw. beidseitig selbstklebend geliefert.

Die Anforderungen bestimmen den Preis. Die teuersten Varianten sind Pads, die neben einer langsamen Materialalterung, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und großen Dicken (die aber gut knautschbar sind) auch noch in sehr komplexen Formen vorgestanzt angeliefert werden.

Beim Wärmeleitwert ist zu beachten, dass ein erhöhter Anpressdruck den thermischen Widerstand sogar noch weiter senkt. Dies ist auf den verkürzten thermischen Weg zurückzuführen, welcher durch das Pad verläuft.

Ergänzendes zum Thema
 
Thermische Simulation für Elektroniksysteme

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 einer Umgebungstemperatur von 20°C 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), das die Wärme rasch aufnimmt und schnell weiterführt.

Die Kühlsenke ist nur so gut wie der schlechteste Widerstand

An dieser Stelle sei der mahnende Finger erhoben: 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 (Bild 1) einer Flüssigkeitskühlung der Firma Fischer Elektronik beschäftigen wir uns mit der Stellschraube „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 3-D-Wärmeanalyse am virtuellen Prototyp einsetzen. Durch die Möglichkeit des CAD-Importes und der einfachen Definition von Wärmewiderständen ist ein derartiges thermisches Modell sehr schnell realisiert.

Das Lösungsgitter, welches den virtuellen Raum diskretisiert, d.h. in kleine Zellen aufteilt, agiert vollautomatisch im Hintergrund. Somit muss sich der Ingenieur bzw. Entwickler nicht mit der Komplexität der Software befassen, sondern er kann auf das Wesentliche konzentrieren (das Umsetzen von technischen Ideen).

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