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(Bild: Fischer Elektronik)

| von Jürgen Harpain

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.

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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

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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Bild 3: Kleinste SMD-Kühlkörper aus Aluminium können direkt auf das zu entwärmende Bauteil aufgeklebt oder auf der Leiterkarte aufgelötet werden. Fischer Elektronik

Ebenfalls im Bereich der Entwärmung von elektronischen Bauelementen, integriert auf der Leiterkarte, haben stranggepresste Aluminiumprofile in Form von SMD-Kühlkörpern (Bild 3) längst Einzug gehalten. Sie sind eine optimale Lösung, um leistungsstarke Bauelemente auf der Leiterkarte zu entwärmen. Verschiedenartige Kühlkörperbauformen können direkt auf dem zu entwärmenden Bauteil, wie zum Beispiel TO 220, TO 218, TO 247, BGA, PGA sowie diverse SIP-Multiwatt, befestigt werden.

Die kompakten in Geometrie und Gewicht auf die oberflächenmontierten Bauteile abgestimmten SMD-Kühlkörper werden ebenfalls im bereits genannten Strangpressverfahren oder als Aluminiumdrehteil hergestellt. Der kleinste SMD-Kühlkörper besitzt eine Kontaktoberfläche von lediglich 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g. Aus diesem Grund können, zum Beispiel bei BGA (Ball Grid Array) gelöteten Bauteilen, die SMD-Kühlkörper direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden, ohne hierbei die kugelförmigen Lötpunkte auf der Unterseite des Arrays durch mechanischen Stress zu beschädigen.

Zur Klebbefestigung stehen doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder wärmeleitende Epoxydharzkleber zur Verfügung. Neben der Klebetechnik werden je nach Leiterkartendesign und Bauteilbeschaffenheit auch immer häufiger SMD-Kühlkörper über das Bauteil, direkt neben dem Bauteil oder auch an einer anderen Stelle auf der Leiterkarte, auf einer separaten Kupferanschlussfläche, aufgelötet.

Bei derartigen SMD-Komponenten, wie zum Beispiel D Pak, LF Pak, erfolgt der interne Wärmetransport an die Umgebung, nicht wie gewöhnlich über das Kunststoffgehäuse auf der Oberseite, sondern über einen sogenannten „Heat slug“ auf der Unterseite vom Bauteil in die Leiterkarte. Von hier aus wird nun die entstehende Wärme mittels Kupferleiterbahnen auf der Leiterkartenoberfläche, oder mittels Durchkontaktierungen in der Leiterkarte aus Kupfer (Thermal Vias) an die entsprechende Wärmespreizfläche transportiert, an welcher der Kühlkörper aufgelötet ist. SMD-Kühlkörper mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung sind sowohl für das Reflow als auch Wellenlötverfahren geeignet und können aufgrund verschiedener Verpackungsformen, wie zum Beispiel Gurt & Spule, im Lötprozess beziehungsweise bei der Leiterkartenbestückung wie ein elektronisches Bauteil gehandhabt werden.

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Bild 4: Lüfteraggregate, jeweils auf die Entwärmungssituation angepasst, ergeben eine deutliche Performancesteigerung bei der Wärmeabfuhr. Fischer Elektronik

Die zusätzliche Verwendung einer Luftströmung beim Entwärmungskonzept führt mithilfe sogenannter Lüfteraggergate (Bild 4) zu einer deutlichen Leistungssteigerung der Wärmeabfuhr. Lüfteraggregate beziehungsweise deren Aufbau und Geometrie der Wärmetauschflächen, sind optimal aufeinander, aber auch auf den verwendeten Lüftermotor hinsichtlich des Volumenstroms und dem erzeugten Staudruck abgestimmt. Bei den verschiedenartigen Lüfteraggregaten wird die durch den Lüftermotor erzeugte Luftströmung in gerichteter Form durch eine geschlossene Wärmetauschstruktur transportiert. Diese Struktur besteht je nach Ausführung aus stranggepressten Rippen oder einer Hohlrippengeometrie.

Die im Grundprofil eingepressten Hohlrippen sind mit einer feinen Kannelierung versehen und erhöhen damit den Wärmeübergang von der Rippe zur vorbeiströmenden Luft. Neben dieser Performance-Steigerung in Bezug auf die Wärmeabfuhr erfolgt das angesprochene Einpressen der Hohlrippen mittels spezieller Vorrichtungen und Werkzeuge. Dadurch sind diese formschlüssig und wärmetechnisch optimal mit dem Basisprofil, dem Kühlkörperboden, verbunden. Zur Bauteilmontage stehen Lüfteraggregate mit einseitiger oder doppelseitiger Basisplatte zur Verfügung. Diese Basisplatten ermöglichen eine sichere Bauteilmontage auf dem Lüfteraggregat und sorgen gleichzeitig für eine gute Wärmespreizung beziehungsweise einen guten Wärmetransport vom Kühlkörperboden zum inneren luftdurchströmten Rippentunnel.

Die Wärmeabfuhr großer Verlustleistungen wird vielfach durch verschiedenartigste Entwärmungskonzepte als Lüfteraggregat gewährleistet. Je nach geforderter Leistungsklasse des Kunden, können Lüfteraggregate mittels Axial-, Radial- oder Diagonallüftermotoren umgesetzt werden. Die unterschiedlichen modularen Aufbauten der Lüfteraggregate sowie deren technische Realisierung sind auf die vielfältigen Einsatzbedingungen, die elektronischen Bauteile und die abzuleitenden Wärmemengen hin optimiert. Besondere Erwähnung finden hierbei exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, strömungsoptimierte Rippen- und Hohlrippengeometrien sowie Lamellenstrukturen für geringe Strömungsverluste.

Die Entscheidung, ob das Lüfteraggregat zur Lösung der wärmetechnischen Applikationsaufgabe geeignet ist oder nicht, sollte stets unter Berücksichtigung sämtlicher Randparameter, wie zum Beispiel Wirtschaftlichkeit, Platzbedarf, Geräuschniveau und Gewicht erfolgen.

 

Jürgen Harpain

Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid

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