An die Verlustleistung angepasste Kühlkonzepte

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Gerd Kucera

Bild 1: Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupfermaterial mit integrierter Halbleiterbefestigungsmöglichkeit gewährleisten eine effiziente Entwärmung auf der Leiterkarte.
Bild 1: Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupfermaterial mit integrierter Halbleiterbefestigungsmöglichkeit gewährleisten eine effiziente Entwärmung auf der Leiterkarte. (Bild: Fischer Elektronik)

Packungsdichten und Leistungen moderner Power Devices verlangen ein anspruchsvolles wie wirksames thermisches Management. Was ist dazu von Bedeutung? Wie wirkungsvoll ist welches Konzept?

Weiterhin steigende Leistungsdichten bei zunehmend kleineren Bauteilabmessungen bedeuten auch mehr Packungsdichte in komplexer Elektronik. Schaltungen hoher Packungsdichte bringen einen Technologiesprung, bedürfen aber geeigneter Entwärmungskonzepte, die die Halbleiterfunktionen 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.

Das Hauptziel einer jeden Entwärmungsmethode – unabhängig von der Funktionsweise – ist es, die Bauteiltemperaturen in einem vom Komponentenhersteller erlaubten Temperaturbereich zu halten, um die Halbleiter langfristig mit der zugesicherten Performance betreiben zu können.

Untersuchungen an ausgefallenen Baugruppen

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 geräuschfreie 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.

Freie Konvektion mit klassischem Alu-Kühlkörper

Aus einer hoch wärmeleitfähigen Aluminiumlegierung im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörper liefern effiziente Entwärmungsmöglichkeiten für kleinere, aber auch größere Verlustleistungen und bieten ein optimales Verhältnis aus Preis, Leistung, Gewicht und Volumen. Ein weiterer Mehrwert ist durch die sehr gute und beliebig mechanische Bearbeitbarkeit sowie der Möglichkeit zur Oberflächenbeschichtung gegeben.

Auch für die Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte sind Kühlkörper verschiedenster Ausführungen bereits ein etabliertes, probates Mittel.

Für Transistoren, die mittels IMT (Insert Mount Technology, Durchsteckmontage) direkt auf der Leiterkarte montiert sind, erfolgt eine sehr gute Wärmeableitung über so genannte Fingerkühlkörper (Bild 1). Effiziente Kühlkörpertypen für alle gängigen Transistorbauformen, wie beispielsweise TO 220, TO 218, TO 247 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, bieten passende Board-Level-Kühlkörper aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen.

Das ist eine ausgezeichnete Möglichkeit, auf kleinstem Einbauraum geringe bis mittlere Halbleiterverlustleistungen sicher aufzunehmen und an die Umgebung abzuführen. Fingerkühlkörper haben eine sehr effektive und kompakte Bauweise, welche aus einer Grundplatte besteht, von der abstehende Lamellen oder Fahnen (Finger) in gerader oder auch abgewinkelter Form die Geometrie ergeben.

Die horizontale (liegende) oder vertikale (stehende) Befestigung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper erfolgt unter anderem mittels integrierter Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern.

Bei der Schraubmontage wird der Transistor auf den jeweiligen Kühlkörpertyp aufgesetzt und gleichzeitig mit diesem, oder auch mit der Leiterkarte, als eine Einheit verschraubt. Die jeweiligen auf die Bauteile abgestimmten Federklammergeometrien ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt.

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