Wärmemanagement An die Leistungsklasse angepasste Entwärmungskonzepte

Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Aufgrund der Packungsdichten und Leistungen moderner Bauteile ist thermisches Management heute unabdingbar. Der Beitrag gibt einen Überblick zur Effizienz der unterschiedlichen Konzepte.

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Entwärmung von Halbleiterbauelementen: Verschiedenartige Fingerkühlkörper sowie deren Bauteilbefestigung bieten sehr kompakte und effiziente Entwärmungsmöglichkeiten auf der Leiterkarte.
Entwärmung von Halbleiterbauelementen: Verschiedenartige Fingerkühlkörper sowie deren Bauteilbefestigung bieten sehr kompakte und effiziente Entwärmungsmöglichkeiten auf der Leiterkarte.
(Bild: Fischer Elektronik)

Stetig steigende Leistungsdichten bei kleineren Bauteilabmessungen bedeuten mehr Packungsdichte für komplexe Elektronik. Schaltungen hoher Packungsdichte erbringen einen Technologiesprung, bedürfen aber geeigneter Entwärmungskonzepte, die die Halbleiterfunktion sicher stellen. Der Beitrag beschreibt die verschiedenen Konzepte.

Der Begriff thermisches Management wird in der Fachliteratur als der Gebrauch von unterschiedlichen Temperaturüberwachungs- und Entwärmungsmethoden beschrieben. Innerhalb eines auf elektronischen Bauteilen basierenden Systems kann die Entwärmung mittels der natürlichen oder der erzwungenen Konvektion sowie mithilfe verschiedener Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl, erfolgen.

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Das Hauptziel einer jeden Entwärmungsmethode – unabhängig von der Funktionsweise – ist es, die Bauteiltemperaturen in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich zu halten und langfristig zu betreiben.

Warum man überhaupt entwärmen muss

Aufgrund physikalischer Vorgänge entsteht bei Halbleiterbauelementen eine Verlustleistung, die direkt in Verlustwärme umgewandelt wird. Wird diese zu hoch, kann sie die Bauelementefunktion beeinträchtigen oder zum Ausfall führen.

Die Verlustwärme eines stromdurchflossenen Halbleiters wird durch den elektrischen Widerstand hervorgerufen, welcher durch das Vorhandensein freier Elektronen, Zusammenstöße von Ladungsträgern sowie auftretenden Gitterschwingungen (Kollisionen von Elektronen mit Atomrümpfen) bestimmt. Darüber hinaus erfolgen beim Schalten von binären Zuständen frequenzbedingte Ladungsverschiebungen, die einen erhöhten Energiebedarf und damit Verlustwärme zur Folge haben.

Statistische Untersuchungen an fehlerhaften, im Betrieb ausgefallenen elektronischen Baugruppen belegen, dass bei den überprüften Einheiten über 70% auf ein mangelndes thermisches Management bzw. auf thermische Zusammenhänge zurückzuführen sind. Ausgehend von einer Bauteiltemperatur von 75°C kann beispielhaft bei einem Temperaturanstieg auf 140°C, der gleichbedeutend mit einem Anstieg der Ausfallrate um den Faktor 8 ist, gerechnet werden.

Die Betrachtung sämtlicher physikalischer Zusammenhänge verdeutlicht, dass ein effizientes und wirkungsvolles thermisches Management für elektronische Bauelemente zwingend erforderlich ist. Die leise Art der Entwärmung ist mittels der freien, natürlichen Konvektion gegeben und findet bereits in sehr vielen technischen Applikationen in Form von stranggepressten Aluminiumkühlkörpern ihre Anwendung. Eine auf die Anwendung perfekt zugeschnittene Kühlkörperauswahl, auch hinsichtlich Grenzschichtbetrachtung und optimalem Auftriebverhalten, gewährleistet eine effektvolle Entwärmung.

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