In der Halbleitersperrschicht elektronischer Bauelemente verursachen physikalische Vorgänge eine sogenannte Verlustleistung, die überwiegend als Wärmestrom freigegeben wird. Der am Halbleiter angelegte Stromfluss erzeugt eine Art Abwärme durch den elektrischen Widerstand, der beim Schalten binärer Zustände durch die Zusammenstöße der Elektronen und Atome entsteht. Frequenzbedingte Ladungsverschiebungen erhöhen den Energiebedarf und erzeugen hierdurch die Abwärme. Je häufiger geschaltet wird, desto höher ist also die Wärmemenge. Betrachtet man die Relation der Leistungsdichten bei heutigen ICs oder IGBTs mit beispielsweise >100 W/cm² zu einer Herdplatte mit einer Fläche von 177 cm² bei einer Leistung von etwa 1000 W, dann ergibt sich für die Herdplatte eine Leistungsdichte von nur ungefähr 6 W/cm².

Der Leistungshalbleiter hat demnach eine mehr als sechzehnfache Verlustleistung pro Quadratzentimeter, weshalb ein wirkungsvolles thermisches Management zwingend erforderlich ist. Denn um eine sichere und vor allem langfristige Funktion zu gewährleisten, ist der Betrieb der elektronischen Bauteile in dem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturfenster zwingend erforderlich und einzuhalten.

Bild 1:	 Perfekt auf die Applikation zugeschnittene Strangkühlkörper aus Aluminium liefern hervorragende Möglichkeiten der Entwärmung.

Bild 1: Perfekt auf die Applikation zugeschnittene Strangkühlkörper aus Aluminium liefern hervorragende Möglichkeiten der Entwärmung. Fischer Elektronik

Entwärmung mit Luft

Strangkühlkörper für die freie Konvektion (Bild 1) funktionieren nach dem Wirkprinzip der Wärmeströmung und bieten viele applikationsspezifische Vorteile. Die Entwärmung der elektronischen Bauteile erfolgt absolut geräuschlos, was etwa in der LED-Technik bei der Beleuchtung von Konzertsälen, Kirchen oder Museen großen Anklang findet. Die thermische Performanz von Strangkühlkörpern setzt sich aus dem Verhältnis zwischen Bodenstärke, Rippenhöhe, -abstand und -anzahl zusammen. Die richtige, auf die Applikation zugeschnittene Kühlkörperauswahl führt zu einer höheren Entwärmungsleistung, sowohl für die freie als auch die erzwungene Konvektion.

Für eine deutliche Leistungssteigerung sowie eine sichere Wärmeabfuhr elektronischer Bauteile mit größeren Wärmemengen wie IGBTs oder Schaltanlagen sorgt der zusätzliche Einsatz bewegter Luft. Die erzwungene Konvektion durch zusätzliche Lüftermotoren liefert hierbei ausgezeichnete Möglichkeiten. Die sogenannten Lüfteraggregate (Bild 2) sind in der Wirkungsweise sehr effizient und eignen sich besonders für die Wärmeabfuhr größerer thermischer Verlustleistungen auf kleinem Raum. Verschiedenartige Konzeptionen der Aluminiumbasisprofile mit der dazugehörigen Wärmetauschgeometrie sind optimal auf einen spezifischen Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt.

Forcierte Konzepte der Entwärmung mit Lüfteraggregaten funktionieren nach dem gleichen Wirkprinzip des konvektiven Wärmeübergangs, nur das zusätzlich der Luftstrom des Lüftermotors in einer gerichteten Form durch eine Wärmetauschstruktur befördert wird. Die angesprochene innere Wärmetauschstruktur der Lüfteraggregate besteht aus strömungsoptimierten kannelierten, leicht gerippten Hohlrippen. Das ergibt eine größere Oberfläche und infolgedessen einen höheren Wirkungsgrad als bei einfachen Glattrippen.

Bild 2:	 Reicht die freie Konvektion nicht mehr aus, sind in vielen technischen Anwendungen leistungsstarke Lüfteraggregate gefragt und gefordert.

Bild 2: Reicht die freie Konvektion nicht mehr aus, sind in vielen technischen Anwendungen leistungsstarke Lüfteraggregate gefragt und gefordert. Fischer Elektronik

Lüfteraggregate leisten mehr

Der wesentliche Unterschied liegt allerdings in den zu erzielenden Wärmeübergängen von den Rippen zu der vorbeiströmenden Luft, die bei einfachen Glattrippen deutlich schlechter ausfallen. Dagegen erzeugt die Kannelierung eine turbulentere Luftströmung innerhalb der Hohlrippe, wodurch sich ein besserer Gesamtwärmeübergang zwischen den Rippen und der Luft ergibt. Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz verbessert die Leistung der Wärmeabfuhr erheblich, erfordert allerdings leistungsstarke Lüfterkonzepte, die dem steigenden Staudruck aufgrund der zunehmenden Turbulenz entgegenwirken.

Leistungsstarke Radiallüftermotoren etwa besitzen exzellente technische Daten zum Thema Volumenstrom und Staudruck und führen darüber hinaus eine deutlich höhere Verlustleistung ab als die häufig verwendeten Axial- und Diagonallüftermotoren. Radial bedeutet, dass die Luft seitlich, radial angesaugt, um neunzig Grad umgelenkt und anschließend in Richtung der Wärmetauschstruktur ausgeströmt wird. Großvolumige Hochleistungslüfteraggregate (Bild 3) mit Radiallüftermotoren besitzen wesentliche größere Abmessungen und können sich besonders in der Aggregatlänge deutlich von Systemen mit weniger druckstarken Lüftermotoren unterscheiden. Luftfördermengen der Radiallüftermotoren von bis zu 1400 m³/h bewirken in perfekter Abstimmung mit dem dazugehörigen Aluminiumbasisprofil extrem kleine Wärmewiderstände von unter 0,015 K/W.

Elektronik und Wasser vertragen sich

Für Applikationen, bei denen sich Lüfteraggregate aufgrund des großen Einbauraums, dem relativ hohen Gewicht und der starken Geräuschentwicklung nicht eignen, bieten kompakte Flüssigkeitskühlkörper (Bild 4) eine effiziente Alternative.

Bild 3:	 Großvolumige Hochleistungslüfteraggregate ergeben in Verbindung mit Radiallüftermotoren extrem kleine Wärmewiderstände.

Bild 3: Großvolumige Hochleistungslüfteraggregate ergeben in Verbindung mit Radiallüftermotoren extrem kleine Wärmewiderstände. Fischer Elektronik

Die ersten Flüssigkeitskühler waren einfache, durchbohrte Platten aus Aluminium oder Kupfer, in deren Bohrungen Schlauchstutzen eingeschraubt oder eingeschweißt waren. Die nächste Entwicklungsstufe bestand darin, Rohre aus Kupfer in die Bohrungen der Aluminiumplatten einzuziehen beziehungsweise einzupressen, was heute immer noch unter dem Namen „Cold Plate“ das dominierende System auf dem Markt ist. Warum Flüssigkeitskühlkörper bei der Entwärmung elektronischer Bauteile so effektiv sind, macht schon die Betrachtung der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmediums Wasser deutlich. Diese ist mit einem Wert von 4,182 kJ/kg*K etwa vierfach größer als die von Luft, was die Flüssigkeitskühlung deutlich von anderen Entwärmungskonzepten differenziert.

Bei moderneren Konzepten gibt es noch effektiver gestaltete Ausführungen: Komplett aus Aluminium gefertigt, einschließlich der Schlauchanschlüsse, ist eine interne, dreidimensionale Lamellenstruktur wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden, wodurch ein sehr guter Wärmetransport vom Kühlelement in die durchströmende Flüssigkeit gewährleistet ist. Zusätzlich bewirkt diese gegeneinander versetzte Struktur eine homogene und flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers bei sehr geringen Strömungsdruckverlusten.

Eckdaten

Freie Konvektion ist neben weiteren Vorteilen zwar geräuschlos, forcierte Konvektion kühlt aber besser. Zur Wahl stehen Lüfteraggregate und Flüssigkeitskühlkörper. Die vierfach höhere Wärmekapazität des Kühlmediums Wasser gegenüber der von Luft macht die Flüssigkeitskühlung zu einem sehr leistungsfähigen Entwärmungskonzept. Vorteilhaft ist außerdem die sehr kompakte Bauweise der Flüssigkeitskühlkörper, da diese bauartbedingt keine große Wärmespreizflächen benötigen und die Entwärmung direkt am Bauteil stattfindet.

Die verschiedenartigen Flüssigkeitskühlkörper lassen sich mit unterschiedlichen Anschlusstechnologien versehen und je nach Grundaufbau als I- oder U-durchströmte Ausführung umsetzen. Die Montage der elektronischen Bauteile auf dem Kühlkörper erfolgt auf exakt plangefrästen Auflageflächen. Diese können nach kundenspezifischen Vorgaben in unterschiedlichen Materialstärken ausgeführt sein und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile, ohne jegliche Beschränkung. Die Standardausführungen gewährleisten einzubringende Gewindetiefen von maximal 7 mm, wobei je nach Applikation und gefordertem Auszugsmoment der Halbleiterhersteller zusätzlich auch Helicoil-Einsätze Anwendung finden.

Bild 4:  Kompakte Flüssigkeitskühlkörper mit interner Lamellenstruktur gewährleisten einen sehr guten Wärmetransport vom Kühlelement in die durchströmende Flüssigkeit.

Bild 4: Kompakte Flüssigkeitskühlkörper mit interner Lamellenstruktur gewährleisten einen sehr guten Wärmetransport vom Kühlelement in die durchströmende Flüssigkeit. Fischer Elektronik

Leistungsstarkes Rückkühlsystem

Zum Vermeiden der bekannten Lochfraßkorrosion muss allerdings bei Flüssigkeitskühlkörpern komplett aus Aluminium das Kühlmedium Wasser mit Korrosionsinhibitoren vermischt werden, um eine Auflösung des Materials zu vermeiden. Hersteller empfehlen hierzu ein Wasser/Glykol-Gemisch von mindestens 60:40, in der Praxis sogar oft im Verhältnis 50:50 angewendet. Die Rückkühlung der erwärmten, im Kühlkreislauf rotierenden Flüssigkeit erfolgt über spezielle Rückkühlsysteme, die aus einem flüssigkeitsführenden Rohrsystem (Wärmetauscher) bestehen sowie einem leistungsstarken Lüftermotor, der die Kühlluft durch die Wärmetauschlamellen drückt. Eine leistungsstarke Pumpe, die den Flüssigkeitskreislauf aufrechterhält, und das verbindende Schlauchsystem aus einem kühlmittelbeständigen Material wie EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) komplettieren das Rückkühlsystem.

Leckagen sind aufgrund der sehr hohen Verarbeitungsqualität nicht zu befürchten, denn sowohl die Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung als auch die Arten der Kopplungssysteme und die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme sind auf dem aktuellen Stand der heutigen Technik.