Zur Entwärmung von Leistungselektronik-Komponenten kommen z.B. Flüssigkeitskühlkörper zum Einsatz.

Zur Entwärmung von Leistungselektronik-Komponenten kommen z.B. Flüssigkeitskühlkörper zum Einsatz. (Bild: Fischer Elektronik)

Die Kontrolle der Wärmeentwicklung durch Verluste ist essenziell, wenn es um die Lebensdauer-Erwartung von elektronischen Bauelementen geht. Hierzu ist der für das Bauteil erzeugte Temperaturstress zu kontrollieren, da ansonsten mit Fehlfunktionen der einzelnen Komponenten oder gar einer kompletten Zerstörung der Funktionsbaugruppe zu rechnen ist. Die Einhaltung und Sicherung der im Herstellerdatenblatt spezifizierten Daten von elektronischen Bauteilen erfordert ein wirkungsvolles Wärmemanagement, welches seitens Fischer Elektronik je nach Applikation und Anforderung in unterschiedlichen Ausführungen angeboten sowie spezifiziert wird. Hierbei reicht das Produktangebot von einer passiven oder aktiven Entwärmung bis hin zu flüssigkeitsgekühlten Lösungen.

Im Speziellen stellen die hohen Leistungsdichten heutiger Leistungshalbleiter den Anwender oftmals vor komplexe wärmetechnische Aufgaben. Die in den Funktionsbaugruppen eingesetzten Leistungshalbleiter müssen zu jeder Zeit ihre Funktion und Aufgabe erfüllen, weshalb ein effektives Entwärmungskonzept – auch zur Erfüllung der Lebensdauer – unumgänglich ist. Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und findet mit der Entwicklung und Produktion des ersten Gleichrichters im 19. Jahrhundert ihren Ursprung. Gleichrichter übernehmen in der Leistungselektronik eine Stromversorgungsfunktion, da die Umformung von Gleichstrom zu Wechselstrom in vielen elektronischen Geräten und energietechnischen Anlagen zum Einsatz kommt.

Pauschal gesagt wird unter Leistungselektronik alles verstanden, was mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Hierbei sind Spannungen und Ströme von einigen Milliampere und wenigen Volt bis hin zu einigen Kiloampere und Kilovolt möglich. Für den Anwender steht vorrangig bei jeglicher Umformung von Spannungen und Strömen immer der zu erreichende Wirkungsgrad des elektronischen Bauteils sowie dessen Lebensdauererwartung im Vordergrund.

Die bereits angesprochenen Entwärmungskonzepte von Fischer Elektronik – ob passiv mittels Hochleistungskühlkörper, aktiv mittels sogenannter Hochleistungslüfteraggregate oder flüssigkeitsgekühlter Entwärmungskomponenten – liefern allesamt effiziente Konzepte zur Bauteilentwärmung und Einhaltung der Lebensdauererwartung.

Das Element Wasser für die Kühlung

Flüssigkeitsgekühlte Entwärmungskonzepte sind gegenüber anderen Entwärmungsprinzipien in puncto Performance und der damit zu erzielenden Wärmeabfuhr deutlich in den Vordergrund zu stellen. Gegenüber passiven oder aktiven Konzepten ergibt sich eine deutliche Leistungssteigerung, was alleine bei der Betrachtung des Kühlmediums Wasser mit einer vierfach höheren spezifischen Wärmekapazität gegenüber der Luft nicht von der Hand zu weisen ist.

Der stetig zunehmende Trend zu höheren Leistungsdichten bei kleinerer Bauteilpackungsdichte benötigt gleichfalls flüssigkeitsgekühlte Produkte für den Einsatz auf Leiterkarten. Speziell für diese Art der Anwendungen hat Fischer Elektronik leistungsfähige Flüssigkeitskühlkörper entwickelt und im 3D-Metalldruck hergestellt. Die Flüssigkeitskühlkörper zur Leiterkartenmontage der Serie FLKU 10 (Bild 1) bestehen aus Edelstahl, wodurch keine besonderen Anforderungen an das Kühlmedium Wasser bestehen. Das Wasser lässt sich in seiner reinen Form ohne den Einsatz von zusätzlichen Korrosionsschutzinhibitoren verwenden. Die Flüssigkeitskühlkörper beinhalten als Besonderheit zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe, also pro Montageseite je einen Kühlkreislauf, wobei die Strömungskanäle ebenfalls auf minimierte Strömungsdruckverluste ausgelegt sind. Die innenliegende Wärmetauschstruktur bzw. die Durchflusskontur ist mittels künstlicher Intelligenz (KI) simuliert und optimal berechnet sowie umgesetzt.

Effiziente Flüssigkeitskühlkörper mit einer KI-optimierten Wärmetauschstruktur liefern sehr gute Möglichkeiten der Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte
Bild 1: Effiziente Flüssigkeitskühlkörper mit einer KI-optimierten Wärmetauschstruktur liefern sehr gute Möglichkeiten der Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte. (Bild: Fischer Elektronik)

Eck-Daten 'Entwärmungskonzepte für große Verlustleistungen'

Die durch Verluste entstehende Wärme hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer von Leistungshalbleitern. Um die Bauelemente in dem vom Hersteller vorgeschriebenen Temperaturbereich zu halten, sind gerade in der Leistungselektronik effiziente Kühlkonzepte gefragt. Weitläufig zum Einsatz kommt eine Flüssigkeitskühlung mit Wasser. Die entsprechenden Kühlkörper können dabei aus Edelstahl bestehen, die den Vorteil bieten, dass das Wasser ohne Zusätze zum Einsatz kommen kann. Bei Kühlkörpern auf Aluminium-Basis ist ein Korrosionsinhibitor notwendig. Ist für die Anwendung keine Flüssigkeitskühlung möglich, z.B. in der Antriebstechnik oder in Windkraftanlagen, sorgen Hochleistungslüfteraggregate für die notwendige Kühlung.

Die Befestigung des jeweiligen Flüssigkeitskühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt optional über eingepresste Lötstifte auf der Unterseite. Die Lötstifte sind als Leichtspannstifte mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung ausgeführt, wodurch sich der Flüssigkeitskühlkörper von der Handhabung her wie ein elektronisches Bauteil auf der Leiterkarte fixieren und verlöten lässt. Die Serie FLKU 10 eignet sich besonders für die Wärmeabfuhr größerer Wärmemengen bei geringem Platzbedarf auf der Leiterkarte, im speziellen zur Entwärmung von Leistungshalbleitern im TO-Gehäuse, SIP Multiwatt und ähnlichen.

Die schnelle und sichere Befestigung der Bauteile auf bzw. an dem Flüssigkeitskühlkörper erfolgt mithilfe sogenannter Einrast-Transistorhaltefedern der Serie THFU. Die verschiedenen Federn sind auf die jeweiligen Bauteile abgestimmt und werden über eine im Grundkörper enthaltene Nutgeometrie eingerastet. Richtig in der Nut fixiert, hält die Einrast-Transistorhaltefeder unverrückbar ihre Position und fixiert mit hohem Anpressdruck das Bauteil auf der Montagfläche. Die beidseitigen Halbleitermontageflächen sind feinstgeschliffen und besitzen eine sehr gute Ebenheit bei geringer Rautiefe. Je nach Applikation und Anwenderanforderungen sind die Flüssigkeitskühlkörper mit einem maximalen Betriebsdruck von 3 bar zu betreiben. Individuelle Gestaltungswünsche, Materialien und Modifikationen sind neben den Standardausführungen gemäß anwenderspezifischen Vorgaben realisierbar.

Kompakte Flüssigkeitskühlkörper mit interner Lamellenstruktur und unterschiedlichen  Durchströmungsarten zur Entwärmung größerer Wärmemengen sind äußerst wirkungsvoll.
Bild 2: Kompakte Flüssigkeitskühlkörper mit interner Lamellenstruktur und unterschiedlichen Durchströmungsarten zur Entwärmung größerer Wärmemengen sind äußerst wirkungsvoll. (Bild: Fischer Elektronik)

Flüssigkeitskühlkörper aus Aluminium

Weitere Ausführungen aktueller Flüssigkeitskühlkörper von Fischer Elektronik mit noch effektiveren Wärmetauschflächen sind im Produktkatalog f.cool enthalten. Komplett aus Aluminium gefertigte Flüssigkeitskühlkörper inklusive verschiedener Anschlusstechnologien, sind je nach Grundaufbau als I- oder U-durchströmte Ausführung (Bild 2) umgesetzt und besitzen des Weiteren eine interne, dreidimensionale Wärmetauschstruktur (Bild 3 unten). Diese zueinander versetzte Lamellenstruktur ist wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden und sorgt für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit. Ebenfalls im Gegensatz zu üblichen verschiedenartigen eingesetzten Rohrsystemen (Bild 3 oben) wird durch die versetzte Wärmetauschstruktur eine homogene (flächige) Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers erreicht und die entstehenden Strömungsverluste minimiert.

Exakt plangefräste, dicke Halbleitermontageflächen dienen zur Befestigung wärmeemittierender Bauelemente und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile ohne eine Beschränkung durch eventuelle störende Rohrleitungen. Das Kühlmedium Wasser muss allerdings bei diesen Varianten zur Vermeidung einer Auflösung des Materials (Lochfraßkorrosion) mit Korrosionsinhibitoren (Kühlschutzmittel) vermischt werden. Dabei wird seitens der Hersteller meist ein Wasser/Glykol-Gemisch von mindestens 60/40 empfohlen und oftmals in der Praxis sogar in einem Mischungsverhältnis von 50/50 verwendet.

	Eine homogene Wasserverteilung und Wärmeaufnahme über die gesamte Kühlkörperbreite wird durch innenliegende und gegeneinander versetzte Aluminiumlamellen gewährleistet
Bild 3: Eine homogene Wasserverteilung und Wärmeaufnahme über die gesamte Kühlkörperbreite wird durch innenliegende und gegeneinander versetzte Aluminiumlamellen gewährleistet. (Bild: Fischer Elektronik)

Alternativkonzepte zur Wasserkühlung

Für einige Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik ist allerdings der Einsatz von Flüssigkeitskühlköpern als Entwärmungskonzept nicht immer so einfach umzusetzen, da zum Beispiel die benötigte Peripherie nicht vorliegt oder sich nicht implementieren lässt. Die Entwärmung mittels der freien Konvektion kann bis zu einer gewissen Wärmmenge mithilfe sogenannter Hochleistungskühlkörper funktionieren. Besonders für Entwärmungsaufgaben im Bereich der Antriebstechnik, Windkraftanlagen, Solarmodulen, aber auch zur Entwärmung von Umrichtern und Schaltnetzteilen, finden Hochleistungskühlkörper ihren Einsatz. In Summe sind Hochleistungskühlkörper nicht nur in der Leistungselektronik gerne gesehen und im Einsatz. Diese Art der Kühlkörper unterscheiden sich im Wesentlichen zu klassischen Strangkühlkörpern in ihrem Aufbau und in ihren geometrischen Abmessungen, sind darüber hinaus speziell für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen konzipiert und entwickelt worden.

Radiallüftermotoren bewirken in Verbindung mit einer strömungsoptimierten Hohlrippengeometrie einen sehr guten thermischen Wirkungsgrad
Bild 4: Radiallüftermotoren bewirken in Verbindung mit einer strömungsoptimierten Hohlrippengeometrie einen sehr guten thermischen Wirkungsgrad. (Bild: Fischer Elektronik)

Hochleistungslüfteraggregate

Die Wärmeabfuhr der Hochleistungskühlkörper ist in Verbindung mit zusätzlichen Luftströmungen nochmals deutlich zu steigern. Die bei Fischer Elektronik erhältlichen Hochleistungslüfteraggregate (Bild 4) bestehen aus einem Aluminiumbasisprofil mit eingepressten Hohlrippen und einem oder mehreren vor dem Querschnitt montierten Lüftermotoren. Je nach Produktausprägung finden leistungsstarke Axial, Radial- oder Diagonallüftermotoren Anwendung. Hochleistungslüfteraggregate spiegeln in der Leistungselektronik eine erprobte sowie vielfach eingesetzte Technik wieder und bieten effiziente Lösungen, Halbleiter einfach und kostengünstig in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich zu betreiben.

Das Produktprogramm an Aggregaten bietet ein- oder doppelseitige massive Halbleitermontageflächen. Diese sind dem Kühlkörperboden gleichzusetzen, nehmen die Wärme von dem darauf montierten Bauteil auf und geben diese an die innenliegende Wärmetauschstruktur des Lüfteraggregates ab. Die innenliegende Hohlrippenstruktur in Verbindung mit den Halbleitermontageflächen bildet den Gesamtaufbau und einen umschlossenen Luftkanal, welcher mit einer durch die Lüftermotoren erzeugten Luftströmung durchflutet wird. Somit erfolgt gemäß dem thermischen Pfad der Wärmefluss vom Bauteil in die Bodenplatte, von hier in die innenliegende Rippenstruktur und letztendlich wird die Wärme über die Rippen an die vorbeiströmende Luft abgegeben.

Verschiedenartige Aufbauten und Herstellungsweisen der Hochleistungslüfteraggregate ergeben mitunter komplexe und engmaschige Wärmetauschstrukturen, die gleichfalls wirkungsvolle Lüftermotoren erfordern. Diese müssen von ihrer Performance in puncto Staudruck und Volumenstrom in der Lage sein, die Aggregate aufgrund ihres jeweiligen Aufbaus über die gesamte Aggregatlänge mit ausreichend Luft zu durchströmen. Angepasste Hochleistungslüfteraggregate in verschiedenartigen Ausprägungen von Fischer Elektronik liefern als forcierte Entwärmung von elektronischen Bauteilen und großen Wärmemengen effiziente Lösungsmöglichkeiten. (na)

Jürgen Harpain

Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik

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