Lebensdauer und Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme und Komponenten sind nur dann gewährleistet, wenn sie ausreichend gekühlt werden. Bei der Wahl der Kühllösung bieten Hersteller Entwicklern umfassende Unterstützung.

Lebensdauer und Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme und Komponenten sind nur dann gewährleistet, wenn sie ausreichend gekühlt werden. Bei der Wahl der Kühllösung bieten Hersteller Entwicklern umfassende Unterstützung. (Bild: AdobeStock 289724001, salita2010)

Für die Einhaltung der in den Bauteildatenblättern spezifizierten Temperaturangaben, bedarf es eines effektvollen thermischen Managements, welches sich in drei verschiedene Wirkungsweisen eingruppieren lässt. Unterschieden wird zwischen der natürlichen (freien) Konvektion, der erzwungenen (forcierten) Konvektion mit Hilfe von zusätzlichen Luftströmungen (Lüftermotoren) und der Entwärmung mittels Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser oder Öl.

Welche Art der Entwärmung für die jeweilige Applikation am geeignetsten erscheint, ist an Hand verschiedener Parameter abzuwägen und auszuwählen. Der zur Verfügung stehende Einbauraum sowie die damit verbundenen Einbaubedingungen, sollten im Vorfeld eines Entwärmungsproblems, ebenso wie die thermischen Gegebenheiten, im Detail begutachtet und analysiert werden.

Detailgetreue Analyse des Wärmeproblems

Geeignete Problemlösungsansätze sind heute einfacher und leichter zu erlangen als jemals zuvor, die Forderungen für die Entwärmung elektronischer Bauelemente haben sich allerdings nicht vermindert. Aufgrund der bereits genannten Miniaturisierung und der verstärkten Komplexität einzelner Baugruppen sowie der Zusammenfassung mehrerer Funktionsbausteine zu einer Komponente, wird der zu leistende Aufwand für eine geeignete Entwärmung auch zukünftig stetig zunehmen.

Der Anwender muss dementsprechend entscheiden, welches Entwärmungskonzept für seine Applikation die beste und effektivste Lösung darstellt. Zur überschlagsmäßigen Berechnung, um heraus zu finden, ob das thermische Problem passiv, aktiv oder durch den Einsatz von Flüssigkeiten zu lösen ist, stehen seitens der Hersteller einige einfache Berechnungsformeln zur Verfügung. Diese betrachten allerdings meistens nur das Verhältnis auftretender Temperaturen zur abzuführenden Verlustleistung, wodurch der Anwender lediglich eine Richtung anhand des thermischen Widerstandes vorgegeben bekommt. Anhand des Wertes besteht somit in den Herstellerkatalogen die Möglichkeit heraus zu finden, wie das thermische Problem mit welcher physikalischen Wirkungsweise (passiv, aktiv, flüssig) gelöst werden kann oder muss.

Wärmesimulation hilft bei der Konzeptionierung

Anwenderspezifische Entwärmungsaufgaben und -probleme sind mitunter in der Praxis oftmals umfangreicher und komplexer, ebenso wie die anwenderseitige Erwartungshaltung an die Problemlösung sowie deren Dokumentation und Durchführung. Elektronische Bauteile und Systeme verfügen über viele verschiedene Randparameter und Einbaubedingungen. Die Auswahl eines optimalen thermischen Managements gestaltet sich deshalb oftmals als schwierig, weshalb Fischer Elektronik im speziellen, auch als Dienstleistung, eine computergestützte Wärmesimulation anbietet.

Mit der computergestützten Wärmesimulation lassen sich die erforderlichen Eigenschaften des Kühlkörpers beziehungsweise des Entwärmungskonzeptes genau ermitteln. Basierend auf physikalischen Konzepten wie Erhaltung von Masse, Energie und Impuls, berücksichtigt die Software insbesondere die thermischen Voraussetzungen für eine natürliche oder forcierte Konvektion. Gleichzeitig ist das System auf die Entwärmung durch Flüssigkeiten ausgerichtet. Darüber hinaus berechnet die Wärmesimulation physikalische Effekte wie zum Beispiel Wärmestrahlung und Turbulenzen. Die Emissionsfaktoren der verschiedenen Oberflächen spielen ebenfalls eine Rolle.

Als Ergebnis liefert die Simulationssoftware eine für die Applikation passgenaue Entwärmungslösung sowie eine enorme Hilfe bei der Entscheidungsfindung und Auslegung des Elektronikdesigns (Bild 1). Mehr denn je gilt es in der Zukunft thermische Probleme elektronischer Bauteile und Systeme im Vorfeld, bereits bei der Prototypenentwicklung, genauestens zu betrachten und detailgetreu zu ermitteln.

Bild 1: Mittels der computergestützten Wärmesimulation sind auch komplexe Entwärmungsaufgaben zu lösen und liefern darüber hinaus weitere nutzbare thermische Ergebnisse.
Bild 1: Mittels der computergestützten Wärmesimulation sind auch komplexe Entwärmungsaufgaben zu lösen und liefern darüber hinaus weitere nutzbare thermische Ergebnisse. (Bild: Fischer Elektronik)

Passgenaue Entwärmungskonzepte

Gemäß der Wärmesimulation oder überschlagsmäßigen Berechnung des thermischen Widerstandes erhält der Anwender einige Informationen über das notwendig einzusetzende Entwärmungskonzept. Bei der Auswahl spielt neben den thermischen Randbedingungen, oftmals die Einbausituation mit dazugehörigen Volumen, das Gewicht, aber auch der Geräuschpegel eine maßgebliche Rolle.

Es gilt nun, das ausgewählte Entwärmungskonzept auch mechanisch in die Einbausituation zu integrieren. Hierfür bedarf es gleichfalls seitens der Hersteller eines umfangreichen Maschinenparks, um seitens der Fertigung flexibel auf die unterschiedlichen Anforderungen und Randbedingungen zu reagieren. Die anwenderseitigen Anforderungen an das Endprodukt und dessen Komplexität in puncto der mechanischen Notwendigkeiten, wie z.B. Toleranzen und Bearbeitungsqualität, aber auch Preis und Lieferzeit, steigen stetig und müssen permanent mit der jeweiligen Herstellungsart abgeglichen werden.

Im Hinblick auf die geometrischen Abmessungen des jeweiligen Entwärmungskonzeptes, sollten diese bereits beim Herstellungsprozess flexibel zu modifizieren sein. Als Beispiel hierfür sei an dieser Stelle eine variable Kühlkörperherstellung mittels Bonded-Fin-Kühlkörper zu nennen. Diese Art der verschiedenartigen Kühlkörperaufbauten (Bild 2) liefern gute und sehr effektive Lösungsmöglichkeiten für die forcierte Konvektion und bieten darüber hinaus aufgrund ihrer Kompaktheit eine sehr große Oberfläche.

Bild 2: Lamellenkühlköper spezieller Konzeption ermöglichen eine große und flexibel anpassbare Oberflächenstruktur, welche im Strangpresseverfahren aufgrund der Rippenverhältnisse nicht herzustellen ist.
Bild 2: Lamellenkühlköper spezieller Konzeption ermöglichen eine große und flexibel anpassbare Oberflächenstruktur, welche im Strangpresseverfahren aufgrund der Rippenverhältnisse nicht herzustellen ist. (Bild: Fischer Elektronik)

Die engmaschigen Lammellenkühlkörper sind häufig bei erschwerten wärmetechnischen Belangen oder Einbaubedingungen einzusetzen und werden komplett aus Aluminium oder aus Kupfer oder aus einem Materialmix von beidem hergestellt. Unterschiedliche Herstellungsverfahren ergeben einseitige- oder doppelseitige Halbleitermontageflächen, wobei vom Grundsatz sämtliche Abmessungen in Form der Kühlköperbreite, -länge, -höhe, auch der Rippenabstände und -dicke, nach anwenderspezifischen Vorgaben und Erfordernissen umzusetzen sind.

Optimierte Bauteilkontaktierung

Zur thermischen Kontaktierung von elektronischen Bauteilen auf einer Wärmesenke werden vielfach sogenannte TIM Materialien (Thermal Interface Material) eingesetzt (Bild 3). Diese Kontaktmaterialien haben das primäre Ziel die Wärmeleitung von A nach B zwischen einer thermischen Kontaktierung zu verbessern und die Wärmeübergangswiderstände zu minimieren.

Bild 3: Verschiedenartige Wärmeleitmaterialien gewährleisten bei richtiger Auswahl und Auslegung eine sichere sowie langlebige thermische Kontaktierung zwischen zwei Komponenten.
Bild 3: Verschiedenartige Wärmeleitmaterialien gewährleisten bei richtiger Auswahl und Auslegung eine sichere sowie langlebige thermische Kontaktierung zwischen zwei Komponenten. (Bild: Fischer Elektronik)

Warum Entwärmung so wichtig ist

Um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Elektronikkomponenten und –systemen sicherzustellen, ist bei fortlaufender Miniaturisierung ein ausgeklügeltes Wärmemanagement notwendig. Für den Entwickler besteht die Herausforderung darin, zunächst die geeignete Form der Kühlung auszuwählen. Hierbei helfen Wärmesimulationen, die vom Hersteller der Kühllösungen als Service angeboten werden. Ist die Kühllösung ausgewählt und dimensioniert, gilt es, für eine gute Kontaktierung zum Bauteil zu sorgen und Spalten auszugleichen. Hierfür sind z.B. Wärmeleitpasten, Phase-Change-Materialien oder Wärmeleitfolien verfügbar. Letztere lassen sich auch für spezielle Geometrien auslegen.

Die heutigen Wärmeleitmaterialien können allerdings oftmals mehr als nur die Wärme von A nach B zu transferieren. Wärmeleitmaterialien sollten explizit für die jeweilige Applikation ausgesucht und auf die Einbausituation sowie die geforderten Randbedingungen abgestimmt sein. Einfluss gebende Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind u.a. der Wärmewiderstand, die thermische Impedanz bei appliziertem Anpressdruck, die Eben- und Rauheit der Kontaktpaarung, die elektrische Isolierung oder Leitung (Isolationswiderstand), der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), um nur einige Parameter zu nennen.

Das auf dem Markt erhältliche Produktangebot an Wärmeleitmaterialien ist vielzählig und in deren Eigenschaften sehr variierend. Das Angebotsspektrum beinhaltet Wärmeleitpasten und -kleber, silikonhaltige und -freie Elastomere, Schaum- und GEL-Folien, GEL-Materialien in flüssiger Form, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen veränderndes Wärmeleitmaterial, einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien, Kapton- und Glimmerscheiben sowie Aluminiumoxydmaterialien. Wie bereits erwähnt, bestimmt die Applikation des Kunden und die dazugehörigen Randparameter das entsprechende Wärmeleitmaterial.

Unterschiedliche Spaltmaße ausgleichen

Die Betrachtung der Kontaktpaarung mit dem dazugehörigen Spaltmaß, welches es gilt mittels eines passenden Wärmeleitmaterials auszugleichen, erleichtert dem Anwender die Vorauswahl. Getreu dem Motto weniger ist mehr, eignen sich Wärmeleitpasten sehr gut für den Ausgleich von kleinen Zwischenräumen bis maximal 50 µm. Eine solche Kontaktpaarung entsteht zum Beispiel, wenn zwei planebene (plangefräste) Flächen miteinander kontaktiert werden sollen. Sogenannte phasenverändernde Wärmeleitmaterialien (PCM – Phase Change Material) liefern hierzu ebenfalls als Alternative zu Wärmeleitpasten einen sehr guten Lösungsansatz.

Die klassischen Silikonwärmeleitfolien, auch als silikonfreie Variante verfügbar, überbrücken typischerweise Spaltmaße von 0,1 bis 0,4 mm, übermitteln neben einer guten technischen Performance ein gutes Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Verarbeitbarkeit. Unterschiedliche Materialien sind als Lieferform in Form von Plattenmaterial, Rollen-, Kappen- und Schlauchmaterial im Angebot, lassen sich darüber hinaus optional mit einer Glasfaserverstärkung oder einer Haftbeschichtung zwecks Montageerleichterung ausstatten.

Zur Überbrückung größerer Spaltmaße von 0,5 bis 8 mm, kommen kompressionsfähige Materialien, die sogenannten Gap-Filler (GEL-Folien), zum Einsatz. Diese bestehen gleichfalls aus silikonhaltigen oder silikonfreien Elastomeren und sind in unterschiedlichen Ausprägungen auf dem Markt erhältlich. Des Weiteren können GEL-Folien, je nach Härtegrad, bis zur Hälfte ihrer Materialstärke komprimiert werden und passen sich hierdurch sehr gut an die zu kontaktierende Oberfläche an (Bild 4).

Bild 4: Komprimierbare Gap-Filler in unterschiedlichen Materialstärken und Ausführungen liefern sehr gute Lösungsmöglichkeiten zum Ausgleich von größeren Bauteildifferenzen bzw. Spaltmaßen.
Bild 4: Komprimierbare Gap-Filler in unterschiedlichen Materialstärken und Ausführungen liefern sehr gute Lösungsmöglichkeiten zum Ausgleich von größeren Bauteildifferenzen bzw. Spaltmaßen. (Bild: Fischer Elektronik)

Besondere Geometrien bei Wärmeleitfolien

Zu guter Letzt ist es ebenfalls notwendig und essenziell, Wärmeleitfolien in Form besonderer Geometrie oder Zuschnitt an die Applikation anzupassen. Wärmeleitfolien lassen sich aufgrund ihrer Eigenschaften und Weichheit mit dem geeigneten Maschinenpark relativ genau nach spezifischen Vorgaben oder als Konstruktionsteil mittels Stanzautomaten oder Schneidcutter produzieren sowie konfektionieren. Aus Platten- oder Rollenmaterial erfolgt mittels geeigneter CAD-Daten eine toleranzgenaue Schneidvorlage. Darüber hinaus ist als weiterer echter Mehrwert, ein 24-Stunden-Muster-Lieferservice bei Fischer Elektronik etabliert, wodurch der Anwender seine ausgewählten Materialien direkt an oder in der Applikation schnell und unkompliziert testen sowie bewerten kann. (na)

Jürgen Harpain

Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik

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