An die Leistungsklasse angepasste Entwärmungskonzepte

Bild 1: Verschiedenartige Fingerkühlkörper sowie deren Bauteilbefestigung bieten sehr kompakte und effiziente Entwärmungskonzepte auf der Leiterkarte. Fischer Elektronik

Der Begriff thermisches Management wird in der Fachliteratur als der Gebrauch von unterschiedlichen Temperaturüberwachungs- und Entwärmungskonzepte beschrieben. Innerhalb eines auf elektronischen Bauteilen basierenden Systems kann die Entwärmung mittels der natürlichen oder der erzwungenen Konvektion sowie mittels verschiedener Flüssigkeiten, wie Wasser und Öl, erfolgen. Hauptziel einer jeden Entwärmungsmethode, unabhängig von der Funktionsweise, ist es, die Bauteiltemperaturen in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich zu halten und langfristig zu betreiben.

Aufgrund physikalischer Vorgänge in der Halbleitersperrschicht eines elektronischen Bauelements entsteht eine Verlustleistung, welche direkt in Verlustwärme umgewandelt wird. Die bereits genannte Verlustwärme eines stromdurchflossenen Halbleiters wird durch den elektrischen Widerstand hervorgerufen, welcher durch Zusammenstöße von Elektronen und Atomen beim Schalten binärer Zustände entsteht. Statistische Untersuchungen an fehlerhaften, im Betrieb ausgefallenen elektronischen Baugruppen belegen, dass bei den überprüften Einheiten über 70 Prozent auf ein mangelndes thermisches Management beziehungsweise auf thermische Zusammenhänge zurückzuführen sind. Ausgehend von einer Bauteiltemperatur von 75 °C kann beispielhaft bei einem Temperaturanstieg auf 140 °C, gleichbedeutend mit einem Anstieg der Ausfallrate, um den Faktor 8 gerechnet werden. Die Betrachtung sämtlicher physikalischer Zusammenhänge verdeutlicht, dass ein effizientes und wirkungsvolles thermisches Management für elektronische Bauelemente zwingend erforderlich ist.

Ausführungen der Entwärmungskonzepte

Die leise Art der 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 den Gebrauch perfekt zugeschnittene Kühlkörperauswahl, auch in punkto Grenzschichtbetrachtung und optimalem Auftriebverhalten, gewährleistet eine effektvolle Entwärmungsmöglichkeit. 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 probates Mittel und nicht mehr wegzudenken. Für sämtliche Transistoren die mittels der IMT-Technik direkt auf der Leiterkarte montiert sind, erfolgt eine sehr gute Wärmeableitung über sogenannte Fingerkühlkörper (Bild 1). Effiziente Kühlkörpertypen für alle gängigen Transistorbauformen, wie zum Beispiel TO 220, TO 218, TO 247 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, liefern passende Board-Level-Kühlkörper aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen; eine ausgezeichnete Möglichkeit auf kleinstem Einbauraum, geringe bis mittlere Halbleiterverlustleistungen sicher aufzunehmen und an die Umgebung abzuführen. Fingerkühlkörper besitzen 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.

Einfache Montage

Bei der Schraubmontage wird der Transistor auf den jeweiligen Kühlkörpertyp aufgesetzt und gleichzeitig mit diesem oder auch 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 sogenannten 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.

SMD

Bild 2: Gewichtsoptimierte SMD-Kühlkörper zur direkten Verklebung auf dem Bauteil oder Verlötung auf der Leiterkarte für die Wärmeableitung kleinerer Verlustleistungen. Fischer Elektronik

Für elektronische Bauelemente auf der Leiterkarte in SMD-Bauweise beziehungsweise für Komponenten die keine Anschlussdrähte besitzen (SMT), ermöglichen kompakte SMD-Kühlkörper (Bild 2) eine wirkungsvolle Art der Entwärmung. Diese werden im Aluminium-Extrusionsverfahren oder als Drehteil aus Aluminium hergestellt und sind jeweils auf die oberflächenmontierten elektronischen Bauteile in punkto Geometrie und Gewicht abgestimmt. Der kleinste SMD-Kühlkörper besitzt gerade einmal eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g.

Beispielsweise bei BGA-gelöteten Bauteilen (Ball Grid Array), können die SMD-Kühlkörper direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden, ohne hierbei die kugelförmigen geformten Lötpunkte auf der Unterseite des Arrays durch mechanischen Stress zu beschädigen. Für die Klebverbindung von geeigneten SMD-Kühlkörpern auf das jeweilige Bauteil 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.

Steigerung der Wärmeabfuhr

Bild 3: Zusammengesetzte Strangpressprofile als Segmentlüfteraggregate ergeben besonders für die Entwärmung von Hochleistungstransistoren vielzählige positive Eigenschaften. Fischer Elektronik

Durch die Verwendung von Lüfter unterstützten Entwärmungssystemen, wie zum Beispiel mittels sogenannter Lüfteraggregate (Bild 3), wird bei der Wärmeableitung elektronischer Bauelemente 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. Vielzählige und unterschiedliche Varianten der Lüfteraggregate eignen sich besonders für die Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen beziehungsweise kleineren Temperaturdifferenzen.

Lüfteraggregate funktionieren nach dem Wirkprinzip der erzwungenen (forcierten) Konvektion gegenüber der freien Konvektion mit dem Unterschied, dass mithilfe des jeweiligen Lüftermotors die erzeugte Luftströmung durch eine Wärmetauschstruktur geleitet wird. Lüftergaggregate unterschiedlicher Konzeption als Segment-, Miniatur-, Kühlkörper-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggrgat sind in vielzähligen 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.

Alternativen

Bild 4: Effiziente Flüssigkeitskühlkörper mit innenliegender Wärmetauschstruktur sorgen für eine homogene Temperaturverteilung. Fischer Elektronik

Für besonders leistungsstarke elektronische Bauelemente wirkt oftmals das benötige große Einbauvolumen der Entwärmungsmethode, dem damit verbundenen relativ hohen Gewicht oder der starken Geräuschentwicklung eines Lüftermotors limitierend. Die Verwendung von geeigneten, jeweils auf die Applikation angepassten Flüssigkeitskühlkörpern (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 als die von Luft, wodurch Entwärmungskonzepte mittels einer 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 (Bild 4) realisiert, welche mit der Basis- und der Bauteilmontageplatte verbunden ist, die gleichfalls für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit sorgt. Darüber hinaus bewirkt die innenliegende Lamellenstruktur eine flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers mit minimalen Strömungsverlusten. Exakt plan gefräste Halbleitmontageflächen ermöglichen des Weiteren eine freie Platzierung der elektronischen Bauteile ohne jegliche Beschränkung. Ein leistungsgerechtes Rückkühlsystem, bestehend aus einem speziellen Rückkühler, dem eigentlichen Wärmetauscher mit einem leistungsstarken Lüftermotor sowie einer Pumpe mit einer angepassten Pumpleistung, komplettieren das System der Flüssigkeitskühlung.

(hag)