Entwärmung für Leistungsmodule von klein bis groß

Die heutige Leistungselektronik wird als ein Teilgebiet der Elektrotechnik verstanden und beschäftigt sich im Wesentlichen mit allem, was mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Leistungselektronische Systeme, wie Wechselrichter, Netzteile, Motorsteuerungen oder Ladeeinheiten für Elektrofahrzeuge erzeugen im Betrieb erhebliche Wärmemengen. Diese thermische Verlustleistung entsteht durch den elektrischen Widerstand zum Beispiel in Leistungshalbleitern, Transformatoren, Drosseln, Leiterbahnen und passiven Bauelementen. Wie groß die Wärmemenge ausfällt, hängt direkt von der Schaltfrequenz, dem Laststrom, dem Spannungsniveau und der Entwärmungsmethode der jeweiligen Komponenten ab. Ohne geeignete Maßnahmen zur Ableitung der genannten Verlustwärme, kommt es unweigerlich zur Überhitzung der eingesetzten Bauteile, was ebenso drastische Folgen mit sich bringt. Ein effizientes und durchdachtes Wärmemanagement stellt daher sicher, dass die Betriebstemperaturen der verwendeten Bauteile innerhalb spezifizierter Grenzwerte bleiben. Die gezielte Wärmeabfuhr mittels geeigneter Entwärmungskonzepte ist ein kritischer Aspekt im Elektronikdesign, gleichfalls ein integraler Bestandteil eines jeden leistungselektronischen Designs. Gut funktionierende und auf die Applikation angepasste Entwärmungslösungen, erhöhen die Zuverlässigkeit, verlängern die Lebensdauer und ermöglichen höhere Leistungsdichten, elektronischer Bauteile und Systeme.

 Angenehme Temperaturen auf der Leiterkarte

 Die Verlustleistung leistungsstarker elektronischer Bauteile verbaut auf Leiterkarten, ist heutzutage in solche Größenordnungen vorgedrungen, dass eine reine passive Entwärmung mittels klassischer Kühlkörper aus Aluminium oftmals nicht mehr ausreicht. Sicherlich sind großvolumige Hochleistungskühlkörper gegeben, welche sich allerdings aufgrund ihrer Abmessungen und dem damit verbundenen Gewicht, schlecht auf der Leiterkarte platzieren lassen. Die sogenannten Miniaturlüfteraggregate der Serie LAM… (Bild 1) sind klein und kompakt, dennoch leistungsstark, sowie speziell für die Abfuhr größerer Wärmeleistungen auf kleinem Raum ausgelegt. Miniaturlüfterggregate können aufgrund ihrer Kompaktheit direkt auf der Leiterkarte verbaut oder befestigt werden, welches für den Anwender einen wesentlichen Vorteil darstellt.

Thermisches Design: Wärmemanagement im Fokus

Wärmemanagement wird in der Leistungselektronik zum entscheidenden Faktor: Effizienz, Lebensdauer und EMV hängen zunehmend vom thermischen Design ab. Aktuelle Konzepte integrieren Substrate, Gehäuse, Kühlung und Sensorik in ein gesamtheitliches Systemverständnis.

Ein als Tubus geformtes Strangpressprofil aus Aluminium mit speziell ausgeformter, interner Wärmetauschstruktur in Rippenform, wird durch einen vorgesetzten axialen Lüftermotor mit Luft durchströmt und kann dadurch erhebliche Wärmemengen ableiten. Des Weiteren sorgt die innenliegende Wärmetauschstruktur für eine homogene Wärmeverteilung im gesamten Aluminiumprofil. In ihrem Aufbau und Geometrie der innenliegenden Wärmetauschflächen, sind die einzelnen Miniaturlüfteraggregate auf die entsprechenden Lüftermotoren und dessen Spezifika, wie Staudruck und Luftvolumen, abgestimmt. Der Grundaufbau der einzelnen Querschnitte besteht aus einem umlaufenden rechteckigen Basisrahmen, welcher gleichzeitig als Halbleitermontagefläche dient. Auf der Rückseite dieser Montageflächen befindet sich die bereits angesprochene Rippenstruktur, welche die vom Bauteil erzeugte Wärme aufnimmt und diese an die innere Luft der Kammerstruktur ableitet. Der vor dem Basisprofil vorgeschaltete Lüftermotor bzw. dessen erzeugte Luftströmung befördert letztendlich die im Rippenkanal entstandene Wärme nach draußen. Die Montage der einzelnen Halbleiter auf dem Miniaturlüfteraggregat, erfolgt mittels verschiedener durch eine CNC-Bearbeitung eingebrachter Gewindetypen oder mit Hilfe einer Clip-Montage in Verbindung mit besonderen Einrast-Transistorhaltefedern, die bei speziellen Ausführungen mit integrierter Nutgeometrie das jeweilige Bauteil sicher und schnell auf den Halbleitermontageflächen fixieren.

 Noch mehr Performance auf der Leiterkarte

Steigen im speziellen die abzuführenden Verlustleistungen auf der Leiterkarte, so sind kleinere Power-Module sehr gut und effizient mittels hochleistungsfähiger Flüssigkeitskühlkörper zu entwärmen (Bild 2). Diese sind im Besonderen für den Einsatz auf der Leiterkarte konzipiert, entwickelt und verfügbar. Die verschiedenartigen Ausführungen an Flüssigkeitskühlkörpern bestehen aus dem Material Edelstahl, so dass für das Kühlmedium Wasser keinerlei Korrosionsschutzinhibitoren notwendig sind. Der im Bild 2 dargestellte Flüssigkeitskühlkörper hat gerade mal die Abmessungen von 40 × 10 × 30 mm³ (L × B × H), ermöglicht die Wärmeabfuhr von ca. 670 W bei einer Temperaturdifferenz von Wassereintritt zu -austritt von 10 °C und einem normalen Betriebsdruck von 3 bar.

Die Befestigung des Flüssigkeitskühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt durch auf der Unterseite fest verpresster Lötstifte, so dass eine sichere und feste Verbindung mit der Leiterkarte zum Beispiel beim Reflow-Löten der Leiterkarte erreicht wird. Die speziellen Flüssigkeitskühlkörper für die Leiterkarte werden im 3D-Metalldruckverfahren hergestellt und besitzen im inneren eine durch künstliche Intelligenz optimierte Wärmetauschstruktur. Pro Montageseite besteht ein Kühlkreislauf, wobei diese voneinander getrennt sind, und kleinste Strömungsdruckverluste bewirken. Somit ist für den Anwender eine beidseitige Bauteilmontage auf dem Flüssigkeitskühlkörper gegeben. 

Die Montage der Leistungshalbleiter, z.B. im TO-Gehäuse, SIP-Multiwatt oder ähnlichen, erfolgt gleichfalls, wie bereits bei den Miniaturlüfteraggregaten angesprochen, über eine im Flüssigkeitskühlkörper integrierte Nutgeometrie und angepassten Einrast-Transistorhaltefedern der Serie THFU zur Bauteilfixierung. Die beidseitigen Halbleitermontageflächen sind darüber hinaus sehr feingeschliffen und besitzen eine sehr gute Ebenheit bei geringer Oberflächenrauheit. Neben den Standardausführungen sind seitens Fischer Elektronik individuelle Gestaltungsmöglichkeiten, Materialien und Eigenschaften nach kundenspezifischen Vorgaben realisierbar.

 Starke Performance

 Für die Entwärmung der wirklich großen Power-Module, wie z.B. für unterschiedliche Leistungsklassen an IGBT, wird in der Praxis seitens der Anwender sehr gerne auf leistungsstarke Lüfteraggregatsysteme zurückgegriffen. Diese bestehen aus einem größerem Hohlrippenprofil und einem davor geschalteten leistungsstarken Lüftermotor. Im speziellen die Hochleistungslüfteraggregate in Verbindung mit Radiallüftermotoren (Bild 3) erzielen Luftfördermengen von bis zu 1400 m³/h und damit kleinste Wärmewiderstände bis von unter 0,015 K/W. Bei einem Radiallüftermotor wird die Luft seitlich radial angesaugt, durch die Lüfterschaufelgeometrie um neunzig Grad umgelenkt und in Richtung der Wärmetauschstruktur des Hohlrippenprofils mit sehr hohem Volumenstrom und Druck ausgeleitet. Hochleistungslüfteraggregate, welche mittels Radiallüftermotoren betrieben werden, können sehr großformatig sein und besonders im Hinblick auf die Aggregatlänge, deutlich über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen.

Für die fachgerechte Montage der Power-Module auf dem Basisprofil stehen materialstarke Bodenplatten zur Verfügung. Diese führen zum einen zu einer guten Wärmespreizung innerhalb des Lüfteraggregates und zum anderen garantieren diese eine solide Befestigung der Leistungsmodule über verschiedenartige Aufnahmegewinde. Die herstellungsbedingten Toleranzen der Montageflächen, mit besonderem Blick auf deren Durchbiegung in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung, sind sehr gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung auszugleichen. Bei genauerer Betrachtung der zulässigen Toleranzfelder gemäß Datenblatt der Power-Module, wird schnell ersichtlich, dass die oftmals nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von <0,02 mm, ohne eine zusätzliche mechanische Nacharbeit nicht zu erreichen sind. Aus diesem Grund, ebenso aufgrund der Komplexität und Genauigkeit, werden alle Halbleitermontageflächen der Lüfteraggregate aus dem Hause Fischer Elektronik standardmäßig mit exakt plan gefrästen Oberflächen angeboten sowie zusätzlich mittels einer Schutzfolie vor Beschädigungen geschützt.

Effiziente Entwärmung von Halbleitern

Entwärmungslösungen sind mehr denn je gefragt, um die vorgegebene Bauteillebensdauer sowie die Zuverlässigkeit eines einzelnen Bauteils oder einer kompletten Funktionseinheit zu gewährleisten. Je nach Anwendung eignen sich unterschiedliche Lösungen.

Nach Luft folgt Wasser

 Für Applikationen zur Entwärmung von Power-Modulen bei denen Hochleistungslüfteraggregate aufgrund des benötigten großen Einbauraums, dem relativ hohen Gewicht oder der starken Geräuschentwicklung des Lüftermotors nicht eingesetzt werden können, liefern kompakte Flüssigkeitskühlkörper (Bild 4) eine effiziente Abhilfe. Flüssigkeitskühlkörper in Verbindung mit dem Kühlmedium Wasser sind äußerst leistungsstark, was alleine durch die Betrachtung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers verdeutlicht wird. Mit einem Wert von 4,182 kJ/kg×K ist diese circa 4-fach größer als die des Kühlmediums Luft, wodurch sich eine Flüssigkeitskühlung deutlich von anderen Entwärmungskonzepten abhebt.

Die von Fischer Elektronik angebotenen Flüssigkeitskühlkörper bestehen komplett aus Aluminium, inklusive der internen verbauten dreidimensionalen Wabenstruktur als Wärmetaufläche, aufgrund dessen als Kühlmedium ein Wasser-Glykol Gemisch einzusetzen ist. Einzelne Aluminiumprofile als Seitenteile und Halbleitermontageflächen sind mit der innenliegenden Wärmetauschstruktur verbunden, gewährleisten hierdurch einen optimalen Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauelement in die durchströmende Flüssigkeit. Der Aufbau der Flüssigkeitskühlkörper sowie exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, ermöglichen eine freie Platzierung der Bauteile und kleinste Wärmeübergangswiderstände. Die verschiedenartigen Flüssigkeitskühlkörper können mit verschiedenen Anschlusstechnologien versehen und je nach Grundaufbau als I- oder U-durchströmte Ausführung umgesetzt werden. Die Angst vor Leckagen ist dem Anwender aufgrund der sehr hohen Verarbeitungsqualität ebenfalls zu nehmen, da spezielle Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, die Arten der Kopplungssysteme, als auch die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme, zuverlässiger Stand der heutigen Technik sind. (na)