Zuverlässigkeit und Schutz auf dem Feld der Leistungselektronik

Leistungselektronik bietet eine effiziente Umwandlung elektrischer Energie, was meistens verbunden ist mit einer Wandlung der Spannung, Stromstärke oder -frequenz. Hierbei handelt es sich um sehr niedrige bis sehr hohe Stromstärken, die von Milliwatt- bis in die Gigawatt-Bereiche reichen, weshalb ihre Anwendungsmöglichkeiten auch sehr vielfältig sind. Es gibt etwa einige Bereiche, in denen der Grad der Energieeffizienz das ausschlaggebende Kriterium ist. Dazu gehören die Branche der Elektromobilität sowie die LED-Industrie. Drahtloses Aufladen von Mobiltelefonen, Anbindung erneuerbarer Energiequellen, Stromverteilung und Sensortechnologie sind weitere Schlüsselbereiche.

In Ladestationen von Elektrofahrzeugen kann der Einsatz von Wärmeleitmaterialien die Effizienz steigern. Electrolube

Entwickler können die Energieeffizienz im ganzen Spektrum dieser Bereiche verbessern. Das Design dieser elektronischen Baugruppen ist einer der wichtigsten Faktoren. Damit sie aber funktionieren und die größtmögliche Effizienz unter den verschiedenen Bedingungen erreichen, kann die Verwendung von thermischen Managementmaterialien und schützenden Produkten ein wichtiger Schritt sein, um die Effizienz und die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik zu maximieren.

Eine Hilfe zur richtigen Auswahl von Wärmemanagementmaterialien, finden Sie auf der nächsten Seite.

Die richtige Wahl

Solche thermischen Managementmaterialien kommen in zwei Hauptbereichen zum Einsatz: auf Bauteil- und Geräteebene. Auf Bauteilebene handelt es sich dann oft um thermisches Management. Komponenten wie etwa Widerstände erzeugen Wärme, wenn sie ein Strom durchfließt. Falls das Bauteil jedoch diese Wärme nicht ordnungsgemäß ableiten kann, erhöht sich die Betriebstemperatur des Bauteils bis zu einem Punkt, an dem es letztendlich versagen könnte. Mit einem thermischen Interface-Material (TIM) lässt sich die Wärmeleitfähigkeit zu einem Kühlkörper oder Gehäuse hin verbessern. Letztlich wird bei diesem Vorgang die Wärme beispielsweise über Konvektion und auch Abstrahlung in die Umgebung abgegeben. Die Verwendung von TIMs verbessert die Effizienz des Wärmetransfers. Dadurch verringert sich die Betriebstemperatur eines bestimmten Bauteils oder der Leiterplatte als Ganzes, wodurch die Effizienz des Geräts steigt und gleichzeitig der Energieverbrauch sinkt. TIMs sind ein Kompromiss zwischen einer verbesserten Leistung und größerer Leiterplatte oder höherem Gewicht. Es bietet Leiterplatten-Designern thermische Managementoptionen etwa für thermisch wirkende Bodenplatten oder zur Entwärmung über verstärkt ausgeführte Leiterbahnen und Anschlüsse.

LED-Panel vor dem Auftragen der Wärmeleitpaste Fotolia/Wisky

Die Art des verwendeten Wärmeleitmaterials kann auch Auswirkungen auf die Effizienz des Wärmetransfers haben. Mit diesen Produkten und vor allem bei TIMs hat die Dicke des aufgebrachten Produkts Auswirkungen auf den Wärmewiderstand über den thermischen Pfad der Schnittstelle. Wärmeleitmaterialien sind zum Auftragen als dünne, gleichmäßige Schicht gedacht. Wie bei jedem wärmeleitfähigen Material ist es wichtig sicherzustellen, dass Entwickler die Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Wärmeableiter vollständig befüllen und alle Lufteinschlüsse verfüllen. Eine thermische Schnittstelle ohne jegliche Lufteinschlüsse führt zu einem niedrigeren Wärmewiderstand und einer geringeren Betriebstemperatur des Geräts. Die Wärmeleitpaste selbst weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die sie kontaktierenden, oft metallischen Materialien. Das Auftragen der Wärmeleitpaste muss möglichst dünn erfolgen, damit sowohl der Wärmewiderstand als auch die sich einstellende Betriebstemperatur sinken.

Bei Wärmeleitmaterialen kann es sich um Wärmeleitpasten und -fette, vernetzende Produkte wie etwa RTVs, chemisch vernetzende Gießharze oder stabile Gap-Pads handeln. Sogenannte Phase-Change-Materialien sind ein neueres Beispiel für die TIM-Technologie. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie den niedrigen thermischen Widerstand, den eine Wärmeleitpaste erzielt, mit der Stabilität eines ausgehärteten oder festen Materials kombinieren. Während der Verwendung ändern sich die Eigenschaften von einem festen in einen flüssigen Zustand und wieder zurück. Dabei ist der Aggregatzustand abhängig von der Temperatur der Anwendung. Jedes Phase-Change-Material hat dabei eine eigene Aktivierungstemperatur, bei welcher der Phasenwechsel auftritt. Sobald diese Temperatur erreicht ist, kann sich das Produkt durch die Fähigkeit des Phase-Change-Materials, weicher zu werden, vollständig an die Konturen des Substrats anpassen, indem es die Schnittstelle mit einer minimalen Klebschichtdicke füllt. Dieses Setzen führt dann wiederum zu einem sehr niedrigen Wärmewiderstand und maximiert die Effizienz der Wärmeleitfähigkeit.

In welchen Anwendungen sich TIMs einsetzen lassen, lesen sie auf der nächsten Seite.

TIMs im Einsatz

Solarwechselrichter benötigen eine Wärmeableitung über Gießharz, damit die Betriebstemperatur innerhalb der gewünschten Bereiche bleibt. Electrolube

Die Produkte von Electrolube kommen etwa als TIMs für IGBTs in Stromverteilungsprodukten oder als Gap Filler und Dünnschichtanwendungen im Automotivebereich zum Einsatz. Aber auch zur Wärmeableitung in Treibern für LED-Reklametafeln lassen sich die TIMs von Electrolube verwenden. All diese Anwendungen haben ihre eigenen Herausforderungen. So haben etwa IGBTs eine große Oberfläche und sind thermischer Wechselbeanspruchung ausgesetzt, die eine Pump-out- oder Scherwirkung über die Änderungen und Variationen des Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugen. Pump-out lässt sich durch den Einsatz eines Wärmeleitmaterials abmildern, das dieser pumpender Beanspruchung widersteht. So lässt sich auch sicherstellen, dass die effektive Wärmeableitung sich nur minimal verschlechtert. Gerade im Automobilbereich greifen OEMs auf Gap Filler in diversen Anwendungen wie etwa Vibrationsszenarien zurück, in denen unterschiedliche Umgebungsbedingungen eine Rolle spielen. In praktisch keiner dieser Anwendungen sind die Umgebungsbedingungen immer stabil und gleichbleibend. Deshalb muss der Schutz der Leistungselektronik zur Verbesserung der Zuverlässigkeit gewährleistet sein.

Eine fertige Baugruppe oder Leiterplatte funktioniert unter standardmäßigen Umgebungsbedingungen, aber externe Faktoren wie beispielsweise Kondensation, korrosive Gase, Salzsprühnebel, Kontaminationen aus der Luft sowie Temperaturveränderungen haben Auswirkungen auf die Betriebsdauer des Geräts. Produkte wie etwa Schutzlacke und Gießharze schützen Leiterplatten vor diesen externen Einflüssen und erhöhen damit sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Betriebsdauer. In der Leistungselektronik steigen die Leistungserwartungen zunehmend an, was die Effizienz betrifft. Jedes Detail ist wichtig, um eine stabile elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.

Schutzlacke sowie Gießharze von Electrolube verbessern in der Leistungselektronik sowohl die Lebensdauer als auch die Zuverlässigkeit von Geräten. Die Schutzlacke finden in Stromsteuergeräten bei digitalen Schaltanlagen Verwendung, die Gießharze hingegen beim Vergießen von Solarwechselrichtern. Beide Anwendungen haben individuelle Herausforderungen. Der Solarwechselrichter benötigt etwa eine Wärmeableitung über das Gießharz, damit die Betriebstemperatur der Bauteile innerhalb der gewünschten Bereiche bleibt. Der Schutzlack für Stromsteuergeräte muss Schutz gegen Feuchtigkeit und korrosive Gase bieten, aber direkt auf Leiterplattendesigns aufzutragen sein, wo Anschlüsse nicht abgedeckt werden dürfen. Ein Verständnis der Umgebungsbedingungen ist deshalb wichtig für die Auswahl des Schutzmaterials.

Der wachsende Markt der Leistungselektronik spricht für eine energieeffiziente Zukunft, allerdings dürfen dabei die Details nicht zu kurz kommen. Einige scheinen anfänglich vielleicht unwichtig, aber letztendlich ermöglichen sie, dass die Leistungselektronik in vielen verschiedenen Anwendungen funktioniert. Das grundsätzliche Verständnis der Anwendungsbedingungen, welche die Verwendung von thermischen Management- und vor Umwelteinflüssen schützenden Produkten ermöglicht, erhöht die Effizienz und Zuverlässigkeit von Geräten mit Leistungselektronik.

(prm)