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Entwärmungskonzepte für Hochleistungshalbleiter

Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Gerd Kucera

Bei der Auswahl des bestmöglichen Entwärmungskonzeptes sind solide Sachkenntnisse der Thermodynamik und ein gerüttelt Maß an Fingerspitzengefühl eine gute Kombination.

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Bild 1: Passive Konzepte der Elektronikentwärmung durch Strangkühlkörper aus Aluminium liefern zwar effiziente Möglichkeiten und finden in sehr vielen Applikationen ihren Einsatz, doch reichen sie für moderne Leistungshalbleiter oft nicht mehr aus.
Bild 1: Passive Konzepte der Elektronikentwärmung durch Strangkühlkörper aus Aluminium liefern zwar effiziente Möglichkeiten und finden in sehr vielen Applikationen ihren Einsatz, doch reichen sie für moderne Leistungshalbleiter oft nicht mehr aus.
(Bild: Fischer Elektronik)

Zwischen der Temperaturbelastung eines elektronischen Bauteils und der zu erwartenden Lebensdauer dieses Bauteils besteht ein direkter Zusammenhang. Die Entwärmung von verschiedenartigen Hochleistungshalbleitern wie IGBTs, IGCTs und GTOs erfordert solide Sachkenntnisse aus dem Bereich der Thermodynamik, aber auch ein gewisses Fingerspitzengefühl bei der Auswahl eines in Frage kommenden Entwärmungskonzeptes.

In Abhängigkeit der Temperatur einer Applikationsumgebung, der Anzahl von Temperaturwechseln sowie deren Wechselgeschwindigkeit führen bei permanenter Überschreitung der Grenztemperatur im schlimmsten Fall dazu, dass die Elektronik ausfällt oder zumindest Fehlfunktionen aufzeigt. Als Beispiel sei ein frequenzgesteuerter Anlaufvorgang eines Drehstromumrichters zu nennen, bei dem die thermische Belastung des Bauteils als äußerst kritisch anzusehen ist. Bei großen auftretenden Verlustleistungen, den daraus resultierenden Wärmemengen und einem zeitabhängigen Temperaturverlauf, muss die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzeptes genauestens analysiert und umgesetzt werden.

Hochleistungskühlkörper für Leistungshalbleiter

Die Entwärmung von Leistungshalbleitern und das damit verbundene hohe Wärmeaufkommen sind weiterhin eine Herausforderung und benötigen besondere Lösungskonzepte. Nach dem Wirkprinzip der freien Konvektion mittels Oberflächenvergrößerung lassen sich in der Leistungselektronik Entwärmungsprobleme mit traditionellen Strangkühlkörpern (wie für TO220, TO247 oder TO3) nicht mehr lösen (Bild 1). Alleine durch die Betrachtung der Bauteilgrößenverhältnisse wird schnell ersichtlich, dass leistungsstärkere Lösungen zum Einsatz kommen müssen.

Die sogenannten Hochleistungskühlkörper bilden die leistungsstärkste Produktgruppe im Bereich der Strangkühlkörper und sind für solche Anwendungen effektiv einzusetzen. Aufgrund der geometrischen und voluminösen Abmessungen der Hochleistungskühlkörper können diese nicht als eine Komponente im Strangpressverfahren hergestellt werden und obliegen somit besonderen Produktionsverfahren.

Grundlegend können Hochleistungskühlkörper durch zwei verschiedene Verfahren produziert werden. Die erste Art besteht aus einer einzelnen stranggepressten Kühlrippe, welche im Rippenfuß eine spezielles Nut- und Federsystem enthält. Dieses System ist in Punkto Toleranzen aufeinander abgestimmt, wodurch nun mehrere Rippen in unterschiedlichen Höhenvarianten miteinander verpresst werden können und in Summe die gewünschte Kühlkörperbreite bilden. Hierdurch wird dem Anwender die Möglichkeit gegeben, geforderte bzw. notwendige Kühlkörperbreiten individuell auf die Applikation und die Entwärmungsaufgabe anzupassen. Die benötigte Kühlkörperlänge lässt sich direkt als Block fertigen oder wird mittels eines zusätzlichen Arbeitsgangs auf die kundenspezifische Vorgabe abgesägt.

Die zweite Möglichkeit zur Herstellung von Hochleistungskühlkörpern besteht aus einem stranggepressten Grundprofil, dem Kühlkörperboden, in welchem zusätzliche, je nach Applikation verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen eingepresst werden. Diese Art der so umgesetzten Hochleistungskühlkörper sind aufgrund der unterschiedlichen Rippenformen sowohl für die freie auch als auch für die erzwungene Konvektion einzusetzen. Unabhängig vom jeweiligen beschriebenen Herstellungsverfahren von Hochleistungskühlkörpern bewirkt eine dicke Basisplatte des Kühlkörpers (Halbleitermontagefläche) eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers und gewährleistet mittels angepasster Aufnahmegewinde eine solide Befestigung der Leistungshalbleiter. Die Umsetzung der Oberflächenanforderungen der Montageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind sehr gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erzielen.

Lüfteraggregate für größere Entwärmungsleistungen

Die beschriebenen Hochleistungskühlkörper sind für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen sehr effektiv einzusetzen, stoßen aber ab gewissen Anforderungsprofilen an ihre Leistungsgrenze. Diese ist zum Beispiel gegeben, wenn die geometrischen Abmessungen oder das Gewicht eines Hochleistungskühlkörpers für die Applikation nicht passend sind. Die sogenannten Lüfteraggregate (Bild 2) basieren auf dem Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion und besitzen eine innenliegende und umschlossene Wärmetauschstruktur, welche optimal auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten hinsichtlich Luftgeschwindigkeit und Luftvolumen abgestimmt ist.

Bild 2: 
Zur Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen ist oftmals forcierte Entwärmung mit Lüfteraggregaten notwendig.
Bild 2: 
Zur Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen ist oftmals forcierte Entwärmung mit Lüfteraggregaten notwendig.
(Bild: Fischer Elektronik)

Lüfteraggregate sind im Bereich der Elektronikentwärmung eine erprobte Technik und vom Gesamtergebnis sehr leistungsstark. Gemäß Wirkprinzip wird bei allen Lüfteraggregaten die über die Lüftermotoren erzeugte Luftströmung in gerichteter Form durch eine Wärmetauschstruktur, bestehend aus einem Rippenkanal, geleitet. Besondere luftunterstützte Ausführungen als Segment-, Kühlkörper-, Miniatur-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggregat in Verbindung mit unterschiedlichen Wirkprinzipien von Lüftermotoren, etwa Axial-, Radial- oder Diagonallüftermotoren, bilden die Produktgruppe der Lüfteraggregate.

Die Konzeption von Lüfteraggregaten und deren unterschiedlichen Aufbauarten sind stets auf die vielfältigen Einsatzbedingungen, die elektronischen Bauteile und die abzuleitenden Wärmemengen hin optimiert und angepasst. Für eine gute Wärmespreizung innerhalb des Gesamtsystems sorgen einseitig oder doppelseitig dicke Basisplatten, welche darüber hinaus als Halbleitermontagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten fungieren. Die exakt plan gefrästen Montageflächen ermöglichen eine optimale Kontaktierung und Anbindung von dem elektronischen Bauteil und dem Entwärmungskonzept.

Deutliche bessere Entwärmung durch Wasserkühlung

Bild 3: 
Wärmetechnisch optimal angepasste Lamellenstrukturen bewirken eine homogene Wasserverteilung über die gesamte Breite des Flüssigkeitskühl­körpers.
Bild 3: 
Wärmetechnisch optimal angepasste Lamellenstrukturen bewirken eine homogene Wasserverteilung über die gesamte Breite des Flüssigkeitskühl­körpers.
(Bild: Fischer Elektronik)

Gelangen die genannten Lüfteraggregate an ihre Leistungsgrenzen oder ist das notwendige große Volumen mit dem damit verbundenen hohen Gewicht unpassend für den zur Verfügung stehenden Einbauraum, so ist eine Entwärmung mittels Flüssigkeitskühlkörper (Bild 3) für etliche industrielle Entwärmungsprobleme durchaus überlegenswert. Alleine die Kühlwirkung des Wassers ist in Verbindung mit effizienten Flüssigkeitskühlkörpern physikalisch als auch wärmetechnisch sehr leistungsfähig.

Die spezifische Wärmekapazität des Elements Wasser mit 4,182 kJ/kg K ist gegenüber der Luft 4-fach größer, wodurch die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu anderen Entwärmungsmethoden deutlich hervorzuheben ist. Die Akzeptanz dieser Art der Entwärmung ist allerdings immer noch schwierig und wird von vielen Anwendern skeptisch begutachtet, obwohl die Problematik der Verträglichkeit von Elektronik und Wasser sicherlich aufgrund der hohen Verarbeitungsqualität kein Thema mehr darstellt. Spezielle Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, Arten der Kopplungssysteme als auch die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme sind zuverlässiger Stand der heutigen Technik.

Die Technik einer Flüssigkeitskühlung

Die Realisierung unterschiedlich aufgebauter auf dem Markt erhältlicher Flüssigkeitskühlkörper ist historisch bedingt und teilweise auch von Umweltbedingungen sowie Preis/Leistung-Kriterien bestimmt. Die ersten Flüssigkeitskühlkörper waren einfache, durchbohrte Platten aus Aluminium oder Kupfer, in deren Bohrungen Schlauchstutzen eingeschraubt oder eingeschweißt waren. Der nächste Entwicklungsschritt bestand darin, Kupferrohre in Basisplatten aus Aluminium einzuziehen bzw. einzupressen, welches heute immer noch das Markt dominierende System an Flüssigkeitskühlkörpern unter dem Namen Cold Plate darstellt.

Innovative Konzepte ermöglichen allerdings die Umsetzung noch effizienter gestalteter Flüssigkeitskühlkörper. Diese besitzen als interne Wärmetauschfläche eine dreidimensionale, zueinander versetzte Lamellenstruktur aus hochwärmeleitenden Aluminium, welche thermisch optimiert wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden ist. Dieses Prinzip führt zu einem sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit. Die über die gesamte Kühlköperbreite verteilte Wärmetauschstruktur gewährleistet eine homogene, vollflächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers, wobei die entstehenden Strömungsverluste minimal ausfallen. Die hochwertigen Flüssigkeitskühlkörper mit innenliegender Wärmetauschstruktur sind komplett aus dem Material Aluminium gefertigt und werden vom Grundsatz als I- oder U-durchströmte Variante angeboten.

Bild 4: 
Integrierte und standardisierte Lochbilder für Hochleistungsmodule vereinfachen die Modulmontage und erlauben eine schnelle sowie optimale Bauteilbefestigung.
Bild 4: 
Integrierte und standardisierte Lochbilder für Hochleistungsmodule vereinfachen die Modulmontage und erlauben eine schnelle sowie optimale Bauteilbefestigung.
(Bild: Fischer Elektronik)

Die genannten Flüssigkeitskühlkörper besitzen alle samt eine relativ dicke Montageplatte, welche exakt plan gefräst ist und somit aufgrund einer sehr guten Ebenheit sowie geringen Rautiefen eine wärmetechnisch optimale Bauteilkontaktierung gewährleistet. Darüber hinaus erfolgt die Platzierung der elektronischen Bauteile ohne eine Beschränkung hinsichtlich störender Rohrleitungen oder Flüssigkeitswege. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, Flüssigkeitskühlkörper mit einem bereits eingebrachten Bohrbild zu erhalten, wie Bild 4 zeigt. Wie dargestellt ermöglicht der umgesetzte Fluidkühlkörper eine gleichzeitige Wärmeableitung und Bauteilmontage von drei Hochleistungsumrichtern auf einem Flüssigkeitskühlkörper.

Wie bereits erwähnt bestehen die Flüssigkeitskühlkörper inklusive der Anschlussmuffen komplett aus dem Material Aluminium, wodurch der Einsatz von Korrosionsinhibitoren (Kühlschutzmittel) notwendig wird, um eine Lochfraßkorrosion bzw. ein Auflösen des Materials zu vermeiden. Bei der Anwendung wird hierzu ein Wasser/Glykol-Gemisch in der prozentualen Aufteilung von 50/50 empfohlen. Dem gegenüber müssen die verwendeten Schlauchleitungen, wie das Material EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), unempfindlich gegenüber den verwendeten Kühlschutzmitteln sein.

Zu einem funktionieren Flüssigkeitskühlkreislauf ist ebenfalls das Flüssigkeitsrückkühlsystem ein wesentlicher Bestandteil. Die Rückkühlung der im Kreislauf befindlichen Flüssigkeit, erfolgt entweder durch bereits an der Maschine oder Anlage vorhandene Rückkühlsysteme sowie durch einzelne kompakte Rückkühlsysteme als Stand-Alone-Lösung. Letztere Ausführungen können als wesentlichen Vorteil außerhalb der zu kühlenden Leistungshalbleiter montiert werden, bieten somit eine höchstmögliche Flexibilität in der Platzierung und Dimensionierung.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Leistungselektronik & Stromversorgung II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Rückkühlsysteme bestehen aus einem speziellen Rückkühler mit einem füssigkeitsführenden Rohrsystem, dem eigentlichen Wärmetauscher und einem elektrisch angetriebenen, leistungsstarken Lüftermotor. Dieser Lüftermotor fördert nun die kalte Luft durch sogenannte Wärmetauschlamellen und kühlt somit die durchströmende Flüssigkeit im verbundenen Rohrsystem. Eine an das Gesamtsystem angepasste Kreiselpumpe, welche den Flüssigkeitskreislauf und den zur Entwärmung benötigten Volumenstrom aufrecht hält sowie ein zuverlässiges im Durchmesser angepasstes Schlauchsystem komplettieren das Rückkühlsystem. Die vielzähligen positiven Eigenschaften der Entwärmung von Elektronik mittels Flüssigkeitskühlkörper übertreffen in der Gesamtkonzeption oftmals andere Entwärmungsszenarien und tragen damit die entscheidenden Merkmale für diese effiziente Entwärmungslösung.

* Dipl. Physik Ing. Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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