An die Verlustleistung angepasste Kühlkonzepte

Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Gerd Kucera

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

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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)

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.

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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.

Kühlkörperformen mit einer integrierten Klammerbefestigung, die so genannten Aufsteckkühlkörper, bieten eine weitere Art der Kühlkörperkontaktierung für Transistoren auf der Leiterkarte. Der ebenfalls auf den Transistortyp und auf die benötigte Haltekraft angepasste Befestigungsflansch wird direkt bei der Herstellung durch Biegeprozesse in den Kühlkörperaufbau integriert.

Die Montage der elektronischen Bauteile erfolgt hierbei durch Aufschieben des Kühlkörpers auf das Bauteil. Zur mechanischen Fixierung der jeweiligen Fingerkühlkörper auf der Leiterkarte enthalten diese ebenfalls durch den Fertigungsprozess integrierte Lötstifte für eine horizontale oder vertikale Einlötbefestigung. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, Fingerkühlkörper mit einer komplett lötfähigen Oberfläche zu beschichten, wodurch eine hervorragende Lötbarkeit gemäß der EU-Richtlinie RoHS umgesetzt wird.

Wirkungsvolle Entwärmung mit SMD-Kühlkörpern

Für oberflächenmontierbare Bauelemente auf der Leiterkarte (SMT, surface-mount technology; SMD, surface-mount device) bzw. für Komponenten, die keine Anschlussdrähte besitzen, ermöglichen kompakte SMD-Kühlkörper (Bild 2) eine wirkungsvolle Art der Entwärmung. Diese werden im Aluminiumextrusionsverfahren oder als Drehteil aus Aluminium hergestellt und sind jeweils auf die oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteile hinsichtlich Geometrie und Gewicht abgestimmt. Der kleinste SMD-Kühlkörper besitzt eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g. Deshalb können die SMD-Kühlkörper z.B. direkt auf die Oberseite von gelöteten BGA-Bauteilen (Ball Grid Array) aufgeklebt werden, ohne hierbei die kugelförmigen geformten Lötpunkte auf der Unterseite des Bauteils durch mechanische Belastung zu beschädigen.

Für eine Klebverbindung von geeigneten SMD-Kühlkörpern auf die jeweiligen Leistungsbauteile bieten sich doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder verschiedene Epoxydharz-Wärmeleitkleber an. Verschiedenartige Verpackungsformen wie Gurt und Spule, Tablett oder Stangenmagazin unterstützen und gewährleisten ebenfalls den automatischen Bestückungsprozess in der Elektronikfertigung.

Durch die Verwendung von Lüfter-unterstützten Entwärmungssystemen wie z.B. Lüfteraggregate (Bild 3) wird bei der Wärmeableitung eine deutliche Leistungssteigerung erreicht. Die verschiedenartigen Versionen der Lüfteraggregate sind immer, je nach Aufbau und verwendeter Wärmetauschgeometrie, auf die Spezifikationen des zugrunde gelegten Lüftermotors abgestimmt.

Möglichkeiten zur Steigerung der Wärmeabfuhr

Viele unterschiedliche Varianten der Lüfteraggregate eignen sich besonders für die Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen beziehungsweise kleineren Temperaturdifferenzen. Lüfteraggregate funktionieren nach dem Prinzip der erzwungenen (forcierten) Konvektion. Gegenüber der freien Konvektion besteht der Unterschied darin, dass mit Hilfe des jeweiligen Lüftermotors die erzeugte Luftströmung durch eine Wärmetauschstruktur geleitet wird.

Unterschiedlich konzipierte Lüfteraggregate als Segment-, Miniatur-, Kühlkörper-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggregat sind in vielen Bereichen der industriellen Elektronik anzutreffen und liefern sehr wirkungsvolle Lösungsansätze. Besonders in Verbindung mit axial, radial oder diagonal betriebenen Lüftermotoren sind kleinste thermische Widerstände erreichbar. Des Weiteren ermöglichen einseitig oder auch doppelseitige Basisplatten als Halbleitmontageflächen eine sehr gute Wärmespreizung.

Ein Vielfaches besser als Luft: die Flüssigkeitskühlung

Bei besonders leistungsstarken elektronischen Bauelementen begrenzt oftmals das benötige große Einbauvolumen der Entwärmungsmethode, dem damit verbundenen relativ hohen Gewicht oder die starke Geräuschentwicklung eines Lüftermotors die Möglichkeiten.

Ein auf die Applikation angepasster Flüssigkeitskühlkörper (Bild 4) ist bei etlichen Anwendungen als Alternative zur Luftkühlung durchaus überlegenswert. Die Effizienz der Flüssigkeitskühlung lässt sich relativ einfach anhand der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmediums Wasser beschreiben. Mit einem Wert von 4,182 kJ/kg K, ist diese viermal so groß wie die von Luft, wodurch Entwärmungskonzepte mittels Wasserkühlung im Vergleich zu anderen Aufbauten deutlich hervorzuheben sind.

Als weitere Vorteile sind die sehr kompakte Bauweise, die Entwärmung direkt am montierten Bauelement sowie die interne wärmetechnisch optimal kontaktierte Wärmetauschfläche zu nennen. Letzteres wird durch eine zueinander versetzte Lamellenstruktur realisiert, welche mit der Basis- und der Bauteilmontageplatte verbunden ist, und gleichfalls für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit des Entwärmungssystems sorgt.

Darüber hinaus bewirkt die innenliegende Lamellenstruktur eine flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers mit minimalen Strömungsverlusten. Exakt plan gefräste Halbleitmontageflächen ermöglichen weiterhin eine freie Platzierung der elektronischen Bauteile. Ein leistungsgerechtes Rückkühlsystem, bestehend aus einem speziellen Rückkühler, dem eigentlichen Wärmetauscher mit einem leistungsstarken Lüftermotor sowie einer Pumpe mit einer angepassten Pumpleistung, komplettieren das Flüssigkeitskühlsystem. Mechanische Elektronikkomponenten wie Kühlkörper produziert Fischer Elektronik bereits seit 1968 in Lüdenscheid.

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid.

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