Suchen

Wärmemanagement: Wie Sie LED-Module und Halbleiterchips richtig entwärmen

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Die Auswahl des richtigen Entwärmungskonzepts für Elektronik ist nicht trivial. Was zeichnet einen Kühlkörper aus und wie wirkt er effizient? Wann müssen Sie einen Lüfter verwenden?

Firmen zum Thema

Elektronik entwärmen: Stranggepresste Rippenkühlkörper liefern effiziente und perfekt auf die Applikation angepasste Entwärmungsmöglichkeiten für elektronische Bauelemente.
Elektronik entwärmen: Stranggepresste Rippenkühlkörper liefern effiziente und perfekt auf die Applikation angepasste Entwärmungsmöglichkeiten für elektronische Bauelemente.
(Bild: Fischer Elektronik)

Eine Entwärmung von elektronischen Bauteilen ist bekanntermaßen zwingend notwendig, da zu hohe Betriebstemperaturen einen direkten Einfluss auf die Bauteillebensdauer haben. Starke Temperaturschwankungen können im schlimmsten Fall zu Funktionsausfällen oder sogar zur Zerstörung des Bauteils führen.

Laut den Datenblättern der Hersteller und Literaturangaben reduziert sich die angegebene Lebensdauer elektronischer Bauelemente um 50% mit jeder Temperaturerhöhung von 10°C. Diese Tatsache zeigt, dass im Vorfeld stets das Datenblatt elektronischer Bauteile geprüft werden sollte, aber auch, dass ein effizientes thermisches Management notwendig ist, um die Temperaturen im Datenblatt spezifizierten Temperaturangaben einzuhalten.

Die unterschiedlichen Entwärmungsmöglichkeiten können in drei Wirkungsweisen klassifiziert werden. Unterschieden wird oftmals zwischen der natürlichen (freien) Konvektion, der erzwungenen (forcierten) Konvektion mit Hilfe von zusätzlichen Luftströmungen und der Entwärmung mittels Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl.

Welche Art der Entwärmung nun für die Applikation am besten geeignet erscheint, muss an Hand verschiedener Parameter abgewogen und ausgewählt werden. Der in der Applikation zur Verfügung stehende Einbauraum sowie die damit verbundenen Einbaubedingungen, sollten im Vorfeld eines Entwärmungsproblems ebenso wie die thermischen Gegebenheiten im Detail begutachtet und analysiert werden.

Oftmals gestaltet sich allerdings die richtige Auswahl an Entwärmungsmöglichkeiten nicht so einfach. Hierbei kann allerdings eine überschlagsmäßige Berechnung des thermischen Widerstandes behilflich sein. Der thermische Widerstand, auch als Wärmewiderstand bezeichnet, setzt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteiltemperatur und der Einbauumgebung sowie der abzuführenden Verlustleistung der elektronischen Komponente zusammen. Dividiert man nun die auftretende Verlustleitung des elektronischen Bauteils durch die Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und der Umgebung, erhält der Anwender den Wärmewiderstand in Kelvin pro Watt [K/W].

Der einfach zu errechnende Wert gibt an, ob zur Lösung der Entwärmungsaufgabe eine passive, eine aktive oder eine Lösung mittels Flüssigkeiten eingesetzt werden sollte bzw. muss. Hierdurch ist es für den Anwender relativ einfach, eine grobe Vorauswahl zu einem möglichen Entwärmungskonzept zu treffen, da die meisten Hersteller von Entwärmungskomponenten in ihren Katalogen oder auf der Homepage Angaben zum thermischen Widerstand aufführen.

Elektronik passiv mit Kühlkörpern entwärmen

Wie bereits beschrieben, ist die Wärmeabfuhr von elektronischen Bauteilen nach unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien möglich. Vielfach zum Einsatz kommen die natürliche und die forcierte Konvektion, welche beide den Mechanismus des Wärmetransportes beschreiben.

Aufgrund von Dichte- und Temperaturunterschieden zwischen einem Kühlkörper und der Umgebungsluft entsteht an der Wärmesenke, also dem Kühlkörper, ein sogenannter Konvektionsauftrieb. Der Begriff Kühlkörper vermittelt dem Anwender, das dieser von seiner Wirkungsweise, ähnlich wie Kühlschränke oder Klimageräte, kühlt.

Bild 1: Mittels thermischer Simulation können Kühlkörper, aber auch komplette Entwärmunsgmethoden exakt analysiert und optimiert werden.
Bild 1: Mittels thermischer Simulation können Kühlkörper, aber auch komplette Entwärmunsgmethoden exakt analysiert und optimiert werden.
(Bild: Fischer Elektronik)

Die Entwärmung mittels strangepresster Kühlkörper (Bild 1) erfolgt allerdings nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung, d.h. dieser nimmt die am Halbleiter entstehende Wärme auf und leitet diese über eine angepasste Rippenstruktur an die Umgebungsluft ab. Unter Beachtung gewisser DIN-Normen und Gestaltungsregeln können extrudierte Erzeugnisse, wie auch Kühlkörper, in unterschiedlichen Formen und Geometrien hergestellt werden. Neben der wirtschaftlichen Herstellungsweise von extrudierten Kühlkörpern erbringen Strangkühlköper aufgrund der verwendeten Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine sehr gute thermische Leistung.

Einen weiteren echten Mehrwert für viele technische Applikationen ist durch die freie Konvektion und ihre Geräuschlosigkeit gegeben. Dieses wird kundenseitig besonders gefordert, wo es auf das Geräuschniveau des Entwärmungskonzeptes, beispielsweise in Büroräumen, Museen oder Konzerthallen, ankommt.

Wie sieht der perfekte Kühlkörper aus?

Vielfach wird seitens der Kunden nach dem perfekten Kühlkörper für die Applikation gesucht, nur was zeichnet diesen aus bzw. was ist denn eigentlich ein wirkungsvoller Kühlkörper? Leider ist diese Frage nicht so einfach zu beantworten, da ein passender Kühlkörper und dessen Auswahl immer mit der jeweiligen Anwendung abgeglichen werden muss. Technisch lässt sich ein Kühlkörper und dessen wärmetechnische Wirkungsweise immer aus dem Verhältnis zwischen der Kühlkörperbreite, der Bodenstärke, der Rippenhöhe und -dicke, dem Rippenabstand und der Rippenanzahl beschreiben.

Die Geometrie des Kühlkörpers und dessen Materialverhältnisse, somit auch der Wirkungsgrad, kann anhand physikalischer Gesetze berechnet werden. Dieses erfordert allerdings hinreichende physikalische Kenntnisse, wobei vielfach die thermische Simulation (Bild 1) zur Hilfe genommen wird.

Mit der computergestützten Wärmesimulation lassen sich die erforderlichen Eigenschaften eines Kühlkörpers wie Geometrie, Abmessungen, Rippen- und Materialverhältnisse sowie Wärmewiderstand genauestens ermitteln. Darüber hinaus berechnet die Software physikalische Effekte wie die Konvektion und die Wärmestrahlung aufgrund von Emissionsfaktoren der gewünschten Oberfläche.

Die thermische Simulation wird bereits vielfach bei der Prototypenentwicklung eingesetzt, wodurch sich Entwicklungszyklen von Entwärmungskonzepten deutlich verkürzen lassen. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass eine auf das Entwärmungsproblem zugeschnittene Kühlkörperauswahl unmittelbar zu einer Steigerung der thermischen Leistungsfähigkeit in punkto der Wärmeableitung führt.

Auch im Bereich der Entwärmung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterkarte sowie in der LED-Technik haben bereits extrudierte Strangkühlkörper Einzug gehalten. Die unter dem Begriff bezeichneten Leiterplattenkühlkörper liefern sowohl aus thermischen Gründen als auch aus montagetechnischer Sicht optimale Lösungsansätze zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen, welche auf der Leiterkarte verbaut sind.

Die Befestigung des Kühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt über verschiedenartige Lötstifte als Voll- oder Hohlstift, aber auch über im Kühlkörper integrierte Gewindekanäle mit einer Schraubbefestigung. Die jeweiligen zu entwärmenden Bauelemente können relativ einfach an bzw. auf dem Kühlkörper durch integrierte Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder durch spezielle Transistorhaltefedern befestigt werden.

Hierdurch wird eine schnelle und sichere Montage mit einem hohen Anpressdruck der Halbleiter mit sicherem Halt gewährleistet. Sämtliche Bauteilgrößen wie TO 220, TO 218, TO 247, diverse SIP-Multiwatt als auch lochlose MAX-Typen können problemlos auf die jeweiligen Kühlkörper für eine horizontale und vertikale Einbaulage befestigt werden.

Bild 2: LED-Kühlkörper in runder Formgebung und deren Vollkern zur LED-Aufnahme er-
möglichen die direkte Integration von LED-Modulen.
Bild 2: LED-Kühlkörper in runder Formgebung und deren Vollkern zur LED-Aufnahme er-
möglichen die direkte Integration von LED-Modulen.
(Bild: Fischer Elektronik)

Einzelne LEDs oder komplette LED-Module sind ebenfalls mittels dafür angepasster LED-Kühlkörper zu entwärmen. LED-Kühlkörper sind von ihrer Größe auf die einzelnen LED-Module angepasst und besitzen zur LED-Aufnahme einen zentrierten Aluminiumvollkern. Dieses ermöglicht durch eine mechanische Nacharbeit die direkte Integration einzelner LEDs oder sogar kompletter LED-Module inklusive deren Haltesystem und Reflektor.

Somit fungiert der Kühlkörper als Komponente des thermischen Managements und gleichzeitig als Leuchtenaußengehäuse, welches in vielzähligen Anwendungen durch verschiedenartige Oberflächenbehandlungen als Designelement dient. Sämtliche LED-Kühlkörper können mittels moderner CNC-Bearbeitungsmaschinen nach kundenspezifischen Vorgaben modifiziert und somit speziell auf die Applikation angepasst werden.

Zusätzliche Luftströmungen unterstützen Wärmeabfuhr

Bild 3: Aktive Entwärmungskomponenten in Form von Lüfteraggregaten führen aufgrund der vorhandenen Luftströmungen zu einer deutliche Leistungssteigerung der Wärmeabfuhr.
Bild 3: Aktive Entwärmungskomponenten in Form von Lüfteraggregaten führen aufgrund der vorhandenen Luftströmungen zu einer deutliche Leistungssteigerung der Wärmeabfuhr.
(Bild: Fischer Elektronik)

Der Einsatz von zusätzlichen Luftströmungen, welche zum Beispiel durch Lüftermotoren nach axialem, radialem oder diagonalem Wirkprinzip erzeugt werden, führt zu einer erheblichen Steigerung der Wärmeabfuhr. Mit dem Begriff Lüfteraggregate (Bild 3) werden aktive und kompakte Entwärmungskomponenten bezeichnet, die in ihrem Aufbau und der dazugehörigen Geometrie der Wärmetauschflächen optimal auf die verwendeten Lüftermotoren abgestimmt sind.

Der erzeugte Luftstrom wird innerhalb des Aggregates durch eine geschlossene Wärmetauschstruktur geleitet, die durch die einzelnen Rippen und umschießende Bodenplatten gebildet wird. Zur Gestaltung der Wärmetauscherstruktur sind bei Lüfteraggregaten die bereits angesprochen Hohlrippen verbaut, die als weitere Wirkungsgradverbesserung eine kannelierte Oberflächenstruktur enthalten. Hierdurch wird der Wärmeübergang von der Rippe zur vorbeiströmenden Luft verbessert.

Verschiedene Ausführungen der Lüfteraggregate ermöglichen aufgrund der Gestaltung der Bodenplatten eine ein- oder doppelseitige Halbleitermontage. Eine sichere und funktionsgerechte Bauteilmontage auf dem Lüfteraggregat erfolgt durch exakt plangefräste Oberflächen. Darüber hinaus bewirken die Halbleitermontageflächen eine gute Wärmespreizung bzw. einen guten Wärmetransport vom Kühlkörperboden zum inneren luftdurchströmten Rippentunnel.

Ob ein Lüfteraggregat zur Lösung des Entwärmungsproblems geeignet ist oder nicht, sollte stets unter Berücksichtigung sämtlicher Randparameter, wie der Wirtschaftlichkeit, dem Platzbedarf, dem Geräuschniveau und dem Gewicht erfolgen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 22/2019 (Download PDF)

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

(ID:46188667)