Eckdaten

Zum Thema Lebensdauer von elektronischen Halbleiterbauelementen gilt im Allgemeinen die Grundregel, dass sich für jede 10-°C-Temperaturerhöhung die zu erwartende Lebensdauer der Bauelemente um 50 % reduziert. Diese Tatsache untermauert, dass ein wirkungsvolles thermisches Management zur Temperaturregelung zwingend erforderlich ist. Entwärmungskonzepte werden typischerweise unterteilt in natürliche und erzwungene Konvektion sowie in Entwärmung mittels Flüssigkeiten.

Welche Art der Entwärmung in der jeweiligen Applikation am sinnvollsten einzusetzen ist, muss anhand verschiedener Parameter abgewogen werden. Die notwendigen Einbaubedingungen und der damit zur Verfügung stehende Platz sollten stets im Vorfeld genauestens geprüft werden ebenso wie die thermischen Gegebenheiten. Zur Bestimmung des eingesetzten Entwärmungskonzeptes ist die Berechnung des benötigten thermischen Widerstandes hilfreich. Der thermische Widerstand liefert im Vorfeld eine wichtige Aussage darüber, ob zur Lösung der thermischen Aufgabe eine passive, aktive oder eine Entwärmung mittels Flüssigkeiten eingesetzt werden muss.

Bild 1: Zur Vorauswahl eines passenden Entwärmungskonzeptes, ob aktiv oder passiv, dient die 		Berechnung des thermischen Widerstandes.

Bild 1: Zur Vorauswahl eines passenden Entwärmungskonzeptes, ob aktiv oder passiv, dient die Berechnung des thermischen Widerstandes. Fischer Elektronik

Der thermische Widerstand, auch Wärmewiderstand genannt, setzt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteiletemperatur und Applikationsumgebung sowie der abzuführenden Verlustleistung der elektronischen Komponente zusammen. In ihren Katalogen geben die meisten Kühlkörperhersteller die Angaben zum thermischen Widerstand in Form von Grafiken (Bild 1) oder Werten an. Hierdurch ist es für den Anwender relativ einfach möglich, eine grobe Vorauswahl zu einem möglichen Entwärmungskonzept zu treffen.

Die geräuschlose Art der Entwärmung

Bild 2: Unterschiedlichste Kühlkörpergeometrien liefern sehr gute Lösungsmöglichkeiten zur Entwärmung von elektronischen Bauelementen.

Bild 2: Unterschiedlichste Kühlkörpergeometrien liefern sehr gute Lösungsmöglichkeiten zur Entwärmung von elektronischen Bauelementen. Fischer Elektronik

Die freie oder auch natürliche Konvektion beschreibt in der Physik den Mechanismus des Wärmetransportes als das Mitführen von Teilchen, welche thermische Energie enthalten. Aufgrund von Dichte- und Temperaturunterschieden zwischen der Luft und dem Kühlkörper (Bild 2) entsteht ein sogenannter Konvektionsauftrieb. Auch wenn der Name Kühlkörper darauf hindeutet, dass dieser kühlt wie Kühlschränke oder Klimageräte, nimmt er lediglich die am Halbleiter entstehende Wärme auf und leitet diese anschließend über die Rippengeometrie nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung an die Umgebung ab.

Strangkühlkörper aus Aluminium für die freie (natürliche) Konvektion werden im Extrusionverfahren mittels einer Strangpresse hergestellt. Diese Herstellungsart ermöglicht verschiedenste Gestaltungsmöglichkeiten des Kühlkörpers. Darüber hinaus ergeben auf diese Weise hergestellte Strangkühlkörper ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen.

Auch das physikalische Wirkprinzip der freien und lautlosen Konvektion ergibt für vielzählige technische Applikationen, bei denen es auf das Geräuschniveau ankommt, für den Anwender einen echten Mehrwert. Ein Kühlkörper mit einer guten wärmetechnischen Leistung setzt sich immer aus einem optimalen Verhältnis zwischen Kühlkörperbreite, Bodenstärke, Rippenhöhe und -dicke, Rippenabstand und Rippenanzahl zusammen.

Die richtige, auf die Applikation zugeschnittene Kühlkörperauswahl, für die freie aber auch erzwungene Konvektion, führt definitiv zu einer Steigerung der thermischen Performance in punkto Wärmeableitvermögen. Strangkühlkörper und deren optimale Gestaltung können aufgrund physikalischer Gesetze berechnet werden, wofür allerdings hinreichende physikalische Kenntnisse vorhanden sein müssen. Mittels der computergestützten thermischen Simulation lassen sich die erforderlichen Eigenschaften des Kühlkörpers genauestens ermitteln. Als Ergebnis liefert die Simulationssoftware eine für die Applikation passgenaue Entwärmungslösung sowie eine enorme Hilfe bei der Entscheidungsfindung und Auslegung des Elektronikdesigns.

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