Effiziente Entwärmung von Halbleitern

Thermische Belastungen elektronischer Halbleiterbauteile sind neben Vibration und Feuchtigkeit, eine der Haupteinflussgrößen auf die Funktion elektronischer Komponenten und Geräte. In puncto Lebensdauererwartung führt ein unzureichendes thermisches Management zu vermeidbaren Ausfällen und Ärgernissen bei den Anwendern.

Abwärme im Halbleiter

Stetig steigende Leistungs- und Packungsdichten von elektronischen Bauelementen verursachen unweigerlich ein erhöhtes Wärmeaufkommen bei den verwendeten Komponenten. Physikalische Vorgänge in dem Halbleiter sind maßgeblich für die Entstehung dieser Verlustwärme verantwortlich. In einem stromdurchflossenen Halbleiter entsteht die Abwärme durch den elektrischen Widerstand, der sich durch Zusammenstöße der Elektronen und Atome beim Schalten binärer Zustände ergibt. Die sichere und vor allem langlebige Funktion des Halbleiters wird deshalb nur gewährleistet, wenn seine Temperatur in dem vom Hersteller definierten Temperaturbereich bleibt.

Besonders für elektronische Bauteile im Bereich der Leistungselektronik besteht Handlungsbedarf in puncto Wärmemanagement, der nicht immer einfach umzusetzen ist. Die auftretenden Durchlass- und Schaltverluste erzeugen erhebliche Wärmemengen, wobei eine Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur, die in den Herstellerdatenblättern genannten wird, zu Fehlfunktionen führt. Wird die zulässige Grenztemperatur permanent überschritten, kann sogar der Halbleiter zerstört werden.

Entwärmung

Es ist deshalb essentiell, die Effektivität der Entwärmungslösungen, die jeweils in Frage kommen, durch eine genaue Analyse der thermischen Gegebenheiten in der Applikation zu überprüfen und die Applikationsbedingungen zu betrachten. Hierzu zählen im speziellen das Gewicht der Entwärmungsmethode, die anfallenden Kosten sowie die Einbaubedingungen und die zur Verfügung stehenden Platzverhältnisse in der Anwendung.

Für eine allererste Annäherung an die Entwärmungsaufgabe, finden Anwender in der Literatur einfache Berechnungsformeln, den thermischen Widerstandes zu berechnen. Dieser Wert wird von den Herstellern der Entwärmungskomponenten oft zum dazugehörigen Produkt angegeben und liefert eine Aussage darüber, ob eine passive, eine aktive oder eine Entwärmung mittels Flüssigkeiten nötig ist. Somit ist es für den Anwender deutlich einfacher die vielen Lösungsansätze und Produkte einzugrenzen.

Die Wärmeableitung von größeren Verlustleistungen erfolgt auf der Anwenderseite auf unterschiedlichste Art und Weise. Reichen die klassischen Strangkühlkörper zur Entwärmung der auftretenden Wärmemengen nicht mehr aus, so können Hochleistungskühlkörper, Lüfteraggregate oder Flüssigkeitskühlkörper geeignete Lösungsansätze sein.

Hochleistungskühlkörper

Unter der Rubrik der Kühlkörper sind die Hochleistungskühlkörper (Bild 2) die leistungsfähigsten Ausführungen.

Diese Kühlkörper funktionieren, je nach Ausführung der Rippengeometrie, sowohl für die freie als auch die forcierte Konvektion und sind äußerst effizient, was die abzuführenden Wärmemengen anbelangt. Allerdings sind sie in ihrem Aufbau sehr komplex und voluminös, weshalb diese Kühlkörperarten in der Herstellung nicht einfach zu realisieren sind. Bei Hochleistungskühlkörper von Fischer Elektronik gibt es zwei unterschiedliche Herstellungsmethoden. Die erste Herstellungsvariante besteht aus zwei Teilen, genauer gesagt aus einem stranggepressten Bodenprofil, in dem eine spezielle Einpressgeometrie eingebracht ist. In einem weiteren nachgeschalteten Arbeitsgang, werden je nach Anforderung, in den Abmessungen unterschiedliche Voll- oder Hohlrippen unverlierbar mit dem Bodenprofil verpresst. Die zweite Herstellungsart von Hochleistungskühlkörpern basiert auf einer neueren Technologie, dem Reibrührschweißen (Friction Stir Welding). Hierbei werden zwei Strangpressprofile im kalten Zustand mit deren Eigenmasse plastisch miteinander verbunden. Die großvolumigen Hochleistungskühlkörper können aufgrund unterschiedlicher Fertigungstechnologien bis zu einer Kühlkörperbreite von 900 mm hergestellt werden.

Lüfteraggregate

Gelangen Hochleistungskühlkörper in Sachen Wärmeabfuhr an ihre Grenzen oder passen die voluminösen Abmessungen und das damit verbundene Gewicht nicht zur bzw. in die Applikation, so ist oftmals der Einsatz von Lüfteraggregaten oder Flüssigkeitskühlkörpern erforderlich. Lüfteraggregate arbeiten gemäß dem physikalischen Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion. Sie bestehen aus einem Grundprofil und einem oder mehreren Lüftermotoren. Die verschiedenen Lüfteraggregate wurden bereits in der Praxis und in unterschiedlichen anwenderspezifischen Applikationen erprobt und funktionieren zuverlässig. Das Spektrum an Lüfteraggregaten des … umfasst unterschiedliche Produkte aus den Bereichen Segment-, Miniatur-, Kühlkörper-, Hohlrippen- und Hochleistungslüfteraggregaten (Bild 3).

Dabei besteht das Grundprofil der Lüferaggregate aus Aluminium und ist jeweils abhängig von der Ausführung auf unterschiedlichste Weise hergestellt. Gemeinsam haben alle Varianten, dass sämtliche Grundprofile, unabhängig von deren Herstellungsart, in ihrem Aufbau und in ihrer Geometrie der inneren Struktur (Wärmetauschflächen), jeweils auf die entsprechenden Lüftermotoren und deren Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit und -volumen, abgestimmt sind, um größtmögliche Effektivität zu erreichen.

Ebenfalls für die Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte stehen Lüfterggregate in Kleinstform zur Verfügung. Die realisierten und verfügbaren Miniaturlüfteraggregate (Bild 4) sind von ihrem Aufbau her klein, kompakt und dennoch sehr leistungsstark. sie können somit als Wärmemanagement für elektronische Bauteile auf der Leiterkarte direkt auf dieser verbaut werden.

Auch die Miniaturlüfteraggregate sind in ihrem Aufbau und in der Geometrie der Wärmetauschflächen, der inneren Kanalstruktur, jeweils auf den entsprechenden Lüftermotor und dessen Spezifika abgestimmt. Der Grundaufbau der einzelnen Querschnitte besteht aus einem umlaufenden rechteckigen Basisrahmen, je nach Größe in der Materialstärke von 2,5 bis 4,5 mm, der gleichzeitig als Bauteilmontagefläche dient.

Zur besseren Wärmeableitung der vom Bauteil aufgenommenen Verlustwärme in die innere durch das Extrusionsverfahren geschlossene Kanalgeometrie, besitzen die jeweiligen vier Montageflächen zusätzlich eine nach innen gerichtete Kühlrippenstruktur. Die filigrane Rippenstruktur im Innenbereich nimmt die abgegebene Wärme vom Bauteil über die Halbleitermontagefläche auf und leitet sie an die innere Luft der Kammerstruktur ab. Hierdurch sind ein deutlich besserer Wärmeübergang sowie eine gute Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Wärmeableitung auf kleinstem Einbauraum gegeben. Befestigungslöcher, die durch das Strangpressverfahren im Profil integriert sind, ermöglichen eine einfache und schnelle Montage der jeweiligen zum Querschnitt passenden Lüftermotoren.

 Notwendige Toleranzanpassungen

Die Bauteilmontage elektronischer Komponenten auf dem jeweiligen Lüfteraggregat, erfolgt je nach Ausführung auf unterschiedliche Weise. Die meisten Lüfteraggregate haben hierfür einseitige oder doppelseitige Halbleitermontageflächen. Die in der Materialstärke dickeren Montage- bzw. Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung innerhalb des Lüfteraggregates. Gleichzeitig dienen sie aber auch zur Fixierung der zu entwärmenden elektronischen Komponenten. Planebene Auflageflächen zur Bauteilmontage auf dem Lüfteraggregat sind für das Endergebnis der Entwärmungsleistung enorm wichtig und werden oft von den Herstellern der elektronischen Bauelemente gefragt sowie im dazugehörigen Datenblatt gefordert. Eine optimale wärmetechnische Kontaktierung bzw. Montage der zu entwärmenden Komponenten, wird allerdings oftmals durch die fertigungsbedingten Toleranzen der einzelnen Grundprofile erheblich erschwert.

Diese Toleranzen sind besonders durch Höhen- und Breitentoleranzen, aber auch Durchbiegungen im Querschnitt (konvex/konkav) sowie eine Torsion in Längsrichtung aufgrund des Produktionsverfahrens gegeben. Die jeweiligen maximalen zulässigen Toleranzfelder obliegen internationalen DIN-Normen für Strangpressprodukte. Bei genauerer Betrachtung der zulässigen Toleranzfelder wird schnell ersichtlich, dass die oftmals von den Bauteileherstellern geforderten Ebenheiten, ohne eine zusätzliche mechanische Nacharbeit nicht zu erreichen sind. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind allerdings sehr gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung machbar, mit Hilfe eines aktuellen Maschinenparks und geeigneter Fräswerkzeuge (Bild 1).

Allerdings will auch eine vernünftige und toleranzgenaue CNC-Bearbeitung gelernt sein. Deshalb werden standardmäßig alle Halbleitermontageflächen der Lüfteraggregate plan gefräst angeboten, und das nicht nur aufgrund der Komplexität. Eine besondere Schutzfolie, die anschließend aufgebracht wird, verhindert des Weiteren ein zerkratzen der bereits bearbeiteten Oberfläche.

Fazit

Die aufgezeigten Lüfteraggregate spiegeln nur einen kleinen Teil der im Produktportfolio enthaltenden Systeme und Anpassungsmöglichkeiten wieder. Lüfteraggregate als thermisches Management und zur Lösung von Entwärmungsproblemen sind mittlerweile in allen Bereichen der industriellen Elektronik anzutreffen. Aufgrund der größer werdenden Leistungsdichten der elektronischen Bauelemente stehen für den Anwender Auswahlkriterien, wie Preis-Leistung und ein wirkungsvolles thermisches Management im Vordergrund. Das höhere Geräuschniveau durch den Einsatz von zusätzlichen Lüftermotoren der Lüfteraggregate kann in vielen Fällen durch geeignete Maßnahmen, wie z. B. durch den Einsatz von Vorkammern oder einer Drehzahlsteuerung, aber auch durch die Gestaltung der Einbauumgebung, durchaus entzerrt werden.