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Fünf Tipps für ein zuverlässiges Wärmemanagement

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Ausfälle elektronischer Funktionseinheiten und Komponenten werden zu mehr als 50 Prozent durch ein unzureichendes thermisches Management hervorgerufen. Wir geben Tipps für die richtige Auslegung.

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Sicheres Wärmemanagement: Kühlkörper sind eine einfache Möglichkeit, um Bauelemente auf einer Leiterplatte effizient zu entwärmen
Sicheres Wärmemanagement: Kühlkörper sind eine einfache Möglichkeit, um Bauelemente auf einer Leiterplatte effizient zu entwärmen
(Bild: Fischer Elektronik )

Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Halbleiterbauteile werden maßgeblich von der thermischen Belastung bestimmt, denen die einzelnen Komponenten ausgesetzt sind. Eine Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur führt zu Fehlfunktionen. Eine Überschreitung der zulässigen Sperrschichttemperatur führt zur Zerstörung des Halbleiters. Erschwerend hinzu kommt der Trend zu stetig steigenden Integrations- und Leistungsdichten elektronischer Bauelemente in der Halbleiterindustrie.

Bei der Lebensdauer in Zusammenhang mit der Temperatur sollte bei der Auslegung des thermischen Managements unbedingt darauf geachtet werden, dass für jede 10°C Temperaturerhöhung sich die anzunehmende Lebensdauer um ca. 50% reduziert. Diese Tatsache zeigt sehr deutlich, dass ein effizientes Entwärmungskonzept unerlässlich ist.

Bei der Lösung von thermischen Problemen stellt sich zu Beginn die Frage, welche Art der Entwärmung in Betracht gezogen werden muss. Hierfür stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung: natürliche Konvektion (passiv) durch Strangkühlkörper aus Aluminium, erzwungene Konvektion (aktiv, mit Hilfe von Lüftermotoren, Lüfteraggregaten) oder flüssige Medien (Flüssigkeitskühlung).

Grundlegende Möglichkeiten zur Ableitung von Wärme

Der so genannte thermische Widerstand, auch Wärmewiderstand genannt, liefert zur Auswahl der richtigen Entwärmungsmethode hilfreiche Informationen. Er ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit, d.h., je besser ein Bauteil die Wärme ableitet, desto kleiner ist sein Wärmewiderstand. Die klassische Formel für den Wärmewiderstand Rth ergibt sich aus der Dicke/Länge des Wärmeweges d in [m], der Wärmeleitfähigkeit des Materials λ in [W/mK] und der Querschnittsfläche des Wärmedurchgangs A in [m²] (siehe Gleichung 1).

Rth = d / λ × A (Gl. 1)

Der Wärmewiderstand wird in der Einheit Kelvin/Watt [K/W] angegeben. Mit den gegebenen Stoffwerten, bekannter Temperatur oder Verlustleistung (aus dem Datenblatt) wird der Wärmewiderstand in Analogie zum Ohmschen Gesetz berechnet. Aus der Verlustleistung PV in [W] und der Summe aller Wärmewiderstände Rth wird die Temperaturdifferenz ΔT zwischen Halbleitersperrschicht (Junction) und der Umgebung (ΔT = TJ – TU) des Kühlkörpers bestimmt.

Entlang des thermischen Pfades setzt sich der thermische Gesamtwiderstand aus einer Reihenschaltung der einzelnen Teilwiderstände zusammen, welche der Wärmestrom überwinden muss. Hieraus ergibt sich Gleichung 2.

Rth = ΔT / PV = TJ – TU / PV (Gl. 2)

Bei der hier angegebenen Formel handelt es sich lediglich um eine Faustformel, mit deren Ergebnis eine passende Wärmesenke ausgewählt werden kann. Für eine detaillierte Berechnung müssen zusätzliche Wärmeübergangswiderstände mit in die Berechnung einfließen, die aber für eine erste überschlagsmäßige Betrachtung, auch mit einer beaufschlagten Temperaturreserve der maximalen Sperrschichttemperatur des Halbleiters, einfließen können.

Für ein passives thermisches Management (Strangkühlkörper) kann mit dem berechneten Wärmewiderstand unter Berücksichtigung der weiteren Randbedingungen eine Auswahl des Kühlkörpers anhand der in den Katalogen der Kühlkörperhersteller gemachten numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen erfolgen (Bild 1).

In der angegebenen Kennlinie zum jeweiligen Querschnitt wird mithilfe des berechneten Wärmewiderstands die dazugehörige Kühlkörperlänge im Schnittpunkt der Kurve ermittelt. Nun muss die so getroffene Kühlkörperauswahl an die jeweilige Applikation angepasst werden. Dabei sind der vorhandene Platz, die Bauteilgröße, die Oberflächengüte im Bereich der Bauteilmontage und die Einbaubedingungen maßgeblich.

Hinweise zur richtigen Kühlkörperauswahl

Bei der Entwicklung eines Elektronikdesigns sollte von Anfang an der benötigte Platz, das Gewicht, Volumen und der Bauraum für den Kühlkörper ermittelt werden, da das Kühlsystem die Baugröße bestimmt. Finden Besonderheiten des thermischen Pfades bei der Designerstellung keine Berücksichtigung, sind nachträgliche Änderungen vorgegebener Spezifikationen oft ärgerlich, zeitaufwendig und kostenintensiv.

Die geometrischen Abmessungen der Rippenkühlkörper (Bild 2) sollten bei einer freien Konvektion auf die jeweilige Bauteilgröße des Halbleiters abgestimmt sein, so dass die Kühlkörperkontaktfläche, meist die Bodenseite, homogen genutzt wird und der Wärmeeintrag großflächig erfolgen kann. Für punktuelle und besonders kleine Wärmeeintragsflächen, aber auch bei transienten Wärmeeinträgen, kommt dem Kühlkörperdesign besondere Bedeutung zu.

Bei diesen thermischen Gegebenheiten ist es zur effektiven Kühlung des elektronischen Bauteils notwendig, die entstehende Wärme schnell vom Bauteil durch den Kühlkörper aufzunehmen, um eine mögliche Überschreitung der Sperrschichttemperatur zu vermeiden. Dieses kann durch den Einsatz von Kontaktoberflächen zur Wärmespreizung, die formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind, z.B. aus Kupfer (λ= 380 W/mK), realisiert werden.

Je nach Applikation und Einbaubedingung des zu kühlenden Halbleiters sollte unter Berücksichtigung des ermittelten Wärmewiderstandes und der Bauteilgröße beim Kühlkörperauswahlprozess stets auf das richtige Verhältnis zwischen Kühlkörperbreite und -länge, Bodenstärke, Rippenhöhe, -stärke, -anzahl und -abstand geachtet werden.

Die bevorzugte Einbaulage bei natürlicher Konvektion erfolgt nach dem Prinzip des Kamineffektes (vertikale Bodenfläche), in welcher die erwärmte Luft durch Konvektionsströmung (Auftrieb) ungehindert nach oben steigen kann. Abweichende Einbaupositionen sind teilweise mit nicht unerheblichen Effizienzeinbußen behaftet, welche in der thermischen Kalkulation zu berücksichtigen sind.

Extrusionskühlkörper zur Entwärmung von Elektronikkomponenten, gedacht für die freie Konvektion, werden üblicherweise im so genannten Strangpressverfahren hergestellt. Dabei wird ein erwärmter Block Aluminium durch eine Matrize gepresst, welche die Kontur des gewünschten Profilquerschnitts enthält und diese dadurch formt.

Hochwertige Aluminiumlegierungen (EN AW 6060) mit guter Wärmeleitfähigkeit zeichnen sich weiterhin durch ein relativ geringes spezifisches Gewicht, eine hohe Festigkeit bei sehr guter Zerspanbarkeit aus und verleihen somit dem Kühlprofil weitere funktionelle Eigenschaften.

Je nach Kühlkörpergeometrie und Materialanordnung obliegt das Strangpressverfahren gewissen Fertigungstoleranzen, die in Punkto Durchbiegung der Montageflächen, aber auch der Breiten- und Höhentoleranz, durchaus erheblich sein können und zwingend beachtet werden müssen. Eine mechanische und wärmetechnische Anpassung der Strangprofile erfordert oftmals umfangreiche Bearbeitungsmöglichkeiten, welche aus dem Portfolio eines Kühlkörperherstellers nicht mehr wegzudenken sind.

Verschiedene Lösungsmöglichkeiten je nach Leistungsklasse

Zur direkten Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte stehen kompakte und im Gewicht reduzierte Kleinkühlkörper zur Verfügung. Die Fixierung der Board-Level-Heatsinks auf der Platine bzw. auf dem Bauteil als Blechbiegeteil oder Strangprofil (Aufmacherbild) erfolgt mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolie, Wärmeleitkleber oder durch eine im Kühlelement integrierte Klammerbefestigung. Eine weitere Variante liefern lötfähige Oberflächenbeschichtungen, die ein direktes Verlöten des Kühlkörpers auf der Leiterkarte ermöglichen. Spezielle Verpackungsformen wie Tape-and-Reel oder Stangenmagazin gewährleisten des Weiteren eine vollautomatische Zuführung für Bestückungsautomaten.

Für die Wärmeableitung größerer Verlustleistungen, bei denen die freie Konvektion nicht ausreichend, die geometrischen Abmessungen oder das Gewicht eines Strangkühlkörpers unpassend für die jeweilige Applikation erscheint, ist der Einsatz einer forcierten Kühlung mittels Lüftermotoren oftmals erforderlich.

Kühlkörpergeometrien, besonders für die erzwungene Konvektion, die aufgrund ihrer Komplexität im herkömmlichen Strangpressverfahren nicht herstellbar sind, können durch Lamellenkühlkörper (Bonded Fin, Bild 3) realisiert und einfach aufgebaut werden.

Leistungssteigerung durch mehr Oberflächen

Einseitige oder gegenüberliegende Halbleitermontageflächen (Bodenflächen) bestehen aus genuteten Aluminium- oder Kupferplatten, in deren spezieller Geometrie Bleche in verschiedenen Stärken aus ebensolchen Materialien mechanisch verpresst sind. Zusätzlich – zur Sicherstellung einer wärmetechnisch optimalen Kontaktierung zwischen Kühlrippe und Bodenplatte – werden Zwischenräume (Lufteinschlüsse) mit einem hochleitenden Wärmeleitkleber gefüllt.

Die durch dieses Verfahren erreichbaren engen Rippenabstände bei freier Gestaltung der Abmessungen ermöglichen eine 2- bis 3-fach größere Oberfläche gegenüber herkömmlichen Strangprofilen. In Abhängigkeit der Luftgeschwindigkeit ist dieses mit einer Leistungssteigerung von ca. 15 bis 20% verbunden.

Weitere Entwärmungskonzepte für hohe Leistungsklassen und erzwungener Konvektion liefern verschiedene Varianten als Lüfteraggregat. Hierfür stehen spezielle Systeme als Segment-, Miniatur-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggregat, mit Axial- oder Radiallüftermotor, zur Verfügung. Die unterschiedlichen modularen Aufbauten der Lüfteraggregate sowie deren technische Realisierung sind auf die vielfältigen Einsatzbedingungen, die elektronischen Bauteile und die abzuleitenden Wärmemengen optimiert.

Besondere Erwähnung finden hierbei exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, strömungsoptimierte Hohlrippengeometrien für geringe Strömungsverluste und die Möglichkeit, einzelne Profilsegmente elektrisch und thermisch zu isolieren.

Leistungsstarke Flüssigkeitskühler (Bild 4) als ein geeignetes Entwärmungskonzept zur Luftkühlung mit Lüfteraggregaten sind bei etlichen Anwendungen durchaus überlegenswert. Aufgrund der 4-fach höheren Wärmekapazität des Wassers gegenüber Luft, ist die Flüssigkeitskühlung als Entwärmungskonzept überragend.

Weiterhin entstehen am zu kühlenden Bauelement, welches direkt auf das flüssigkeitsdurchströmte Kühlelement aufgesetzt wird, kein Lärm und keine Vibrationen, die bei dem Einsatz von Lüftermotoren oft nicht nur störend (Geräuschentwicklung) sondern auch Gebrauchsdauer beeinflussend sind. Statistisch gesehen sind Vibrationen mit einem 20-prozentigen Anteil nicht unerheblich an den Ausfällen elektronischer Systeme beteiligt.

* * Jürgen Harpain ... ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig

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