Entwärmung: Durch richtige Kühlkörper Ausfallraten senken

| Autor / Redakteur: Jeannine Schmidt * / Kristin Rinortner

Wärmemanagement: Bei der Entwärmung von elektronischen Bauteilen müssen zukünftig die auftretenden Probleme des thermischen Managements noch effizienter gelöst werden.
Wärmemanagement: Bei der Entwärmung von elektronischen Bauteilen müssen zukünftig die auftretenden Probleme des thermischen Managements noch effizienter gelöst werden. (Bild: Fischer Elektronik)

Welche Kühlkörper sind für SMD- und THT-Bauteile geeignet und wo liegen die Vor- und Nachteile der entsprechenden Lösungen zur Entwärmung? Welche Besonderheiten gibt es bei geschlossenen Systemen? Unser Artikel stellt unterschiedliche Konzepte zur Entwärmung von Bauteilen vor.

Entwickler werden durch die Miniaturisierung oder auch Downscaling vor eine immer größere Herausforderung gestellt. Die Komplexität von integrierten Schaltkreisen wächst stetig und für das Entwärmungskonzept steht immer weniger Platz zur Verfügung.

Durch das geringe Platzangebot ist es umso wichtiger, genau das passende Zusammenspiel von Kühlkörper, wärmeleitendem Material und Flächennutzung für das Entwärmungskonzept zu finden, um geringe Ausfallraten und hohe Lebenszyklen zu erreichen.

Die in einem Gerät entstehende Verlustleistung muss schnellstmöglich von den elektronischen Bauteilen abgeführt und über das für die Anwendung passende Entwärmungskonzept an die Umgebung abgegeben werden. Als Entscheidungshilfe für das Entwärmungskonzept wird der thermische Widerstand (Wärmewiderstand) verwendet.

Der Gesamtwärmewiderstand berechnet sich aus der Summe der Einzelwärmewiderstände, die im Wärmepfad eine Rolle spielen. Hierzu zählt unter anderem der innere Wärmewiderstand des Bauteils RthG (aus dem Datenblatt des Bauteilherstellers), der Wärmewiderstand des Kühlkörpers RthK (wird vom Kühlkörperhersteller angegeben) und der Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials RthM.

Der Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial wird gemäß Gleichung 1 berechnet.

Rth= l / (λ A) (Gl. 1)

Dabei bezeichen Rth den Wärmewiderstand [K/W], l die Schichtdicke [m], λ die spezifische Wärmeleitfähigkeit (werkstoffabhängig) [W/mK] und A die wärmeabgebende Oberfläche [m²].

Wärmeleitfähigkeiten von Wärmeleitmaterialien

Luft ist mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,023 W/mK einer der schlechtesten Wärmeleiter überhaupt. Aus diesem Grund sollten Sie Lufteinschlüsse vermeiden. Diese entstehen unter anderem durch Unebenheiten und Toleranzen der elektronischen Bauteile und des Kühlkörpers.

Abhängig von der Anwendung werden für die Anbindung der Bauteile an den Kühlkörper unterschiedliche Wärmeleitmaterialien (Bild 1) verwendet. Zur Auswahl stehen wärmeleitende Kleber (Wärmeleitfähigkeit bis 7,5 W/mK), wärmeleitende Pasten (Wärmeleitfähigkeit bis 10 W/mK) und Wärmeleitfolien (Wärmeleitfähigkeit bis 16 W/mK).

Bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit wird die Wärme schnell vom Bauteil an den Kühlkörper abgegeben. Gleichung 1 zeigt aber auch, dass nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit zu einem kleinen Wärmewiderstand führt, sondern auch eine geringe Schichdicke der Kupferkaschierung auf der Leiterplatte. Hierbei sollte immer gelten: Je geringer die Schichtdicke ist, desto besser.

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