Wirkungsvolle Entwärmungskonzepte für die Leistungselektronik

Die Tatsache der Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen mit kleineren Packungsdichten bei stetig steigenden Leistungsdichten, macht die Auswahl angepasster Entwärmungslösungen nicht einfacher. Die Verlustwärme schadet auf Dauer dem elektronischen Bauteil, kann dieses sogar im Worst-Case-Szenario zerstören. Elektronische Bauteile gepaart mit zu hohen Betriebstemperaturen in der Applikation, führen zwangsläufig zu Problemen, Systemausfällen und reduzieren drastisch deren Lebensdauer. Wirkungsvolle Entwärmungskonzepte, besonders im Bereich der Leistungselektronik, werden mehr denn je gefragt und gefordert.

Der innere Aufbau der Halbleiter sowie die verwendeten Materialien bei der Halbleiterherstellung unterliegen zwar stetig neuen Innovationen, was allerdings einen kompletten Verzicht einer Entwärmung nicht ermöglicht. Somit bleibt das thermische Design und dessen Auslegung immer noch eine nicht zu unterschätzende Herausforderung für die Anwender.

Für die Entwärmung leistungsstarker Bauteile im Bereich der Leistungselektronik, haben sich über die Jahre auf dem Markt erprobte Entwärmungskonzepte, wie z. B. Hochleistungskühlkörper, Lüfteraggregate oder Fluidkühlkörper, durchgesetzt. Das Unternehmen Fischer Elektronik bietet zu den genannten Rubriken, je nach Bauteilgröße und abzuführender Verlustleistung, verschiedenartige Lösungsansätze an.

Mehr Oberfläche, mehr Vorteile

Die genannten Hochleistungskühlkörper sind eine Untergruppe in der Rubrik Strangkühlkörper und stellen die leistungsfähigsten Konzepte der passiven Bauteilentwärmung dar. Hochleistungskühlkörper sind speziell für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen entwickelt und konzipiert. Die unterschiedlichen Ausführungen unterscheiden sich deutlich von den „klassischen“ Strangkühlkörpern, d. h. Hochleistungskühlkörper sind deutlich voluminöser, in ihrem Aufbau deutlich komplexer und von der Performance her deutlich stärker, besonders im Bereich der Leistungselektronik einzusetzen.

Hochleistungskühlkörper sind aufgrund ihrer geometrischen Abmessungen nicht im Strangpressverfahren in einem Stück herstellbar. Der Grund hierfür liegt in der Größe der Profile und der damit verbundenen Werkzeug- und Pressengröße, die eine technische und wirtschaftliche Herstellung nicht zulässt. Infolge dessen besteht der Aufbau der Hochleistungskühlkörper aus zwei Teilen. Der erwähnte Aufbau ermöglicht den Einsatz für die freie, als auch erzwungene Konvektion. Hierfür enthält der Kühlkörperboden eine besondere Einpressgeometrie, in die je nach Anwendung (mit/ohne Luft), eine Voll- oder Hohlrippe eingepresst wird. Für den Einsatz bei freier Konvektion enthalten die Hochleistungskühlkörper eine Vollrippe, hingegen eine Hohlrippe für Anwendungen bei forcierter Konvektion (Bild 1).

Des Weiteren fungiert die Basisplatte später als Halbleitermontagefläche und gewährleistet aufgrund einer Materialstärke von 20 mm eine sichere sowie fachgerechte Befestigung der Bauteile durch nachträglich eingebrachte Aufnahmegewinde. In Summe bewirkt die Basisplatte eine sehr gute Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Hochleistungskühlkörpers. Zur Oberflächenvergrößerung des Gesamtsystems Kühlkörper enthalten die eingesetzten Rippen eine kannelierte Oberflächenstruktur, wodurch eine Wirkungsgradverbesserung von zirka zehn Prozent gegenüber herkömmlichen Glattrippen erreicht wird.

Beim Kühlkörperboden sind allerdings auch aufgrund der Größe die fertigungsbedingten Toleranzen zu beachten. Gemäß dem Motto, je größer die Kühlkörper, desto größer die Toleranzen, wird bei der Halbleitermontage eine optimale wärmetechnische Kontaktierung oftmals aufgrund der Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung deutlich erschwert. Je nach Breite der Hochleistungskühlkörper sind Durchbiegungen bis zu 3 mm gegeben, was definitiv zur thermisch korrekten Bauteilmontage eine mechanische CNC-Nachbearbeitung erfordert. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Ebenheit und Rauheit sind mit einem innovativen Maschinenpark und geeigneter Fräswerkzeuge (Bild 2) gut umzusetzen sowie der Applikation anzupassen.

Luft bewirkt Performance

In puncto Wärmeabfuhr erfahren passive Entwärmungssysteme durch die Zuführung von Luft mittels zusätzlicher Lüftermotoren eine deutliche Leistungssteigerung. Gelangen Hochleistungskühlkörper an ihre thermischen Grenzen bzw. reicht die Wärmekapazität des Kühlköpers nicht aus, um die gesamte Verlustwärme aufzunehmen, dann treten oftmals sogenannte Hochleistungslüfteraggregate (Bild 3) in den Vordergrund.

Lüfteraggregate, so auch Hochleistungslüfteraggregate, bestehen aus einem Grundprofil aus Aluminium, vor welchem zur Erzeugung eines Luftstroms ein oder mehrere Lüftermotoren vorgeschaltet sind. Die kompakten und umschlossenen Basisprofile enthalten im Inneren eine besondere Wärmetauschstruktur, welche wärmeleitend mit den Halbleitermontageflächen verbunden ist. Ähnlich wie bei den Hochleistungskühlkörpern, besteht die Wärmetauschstruktur je nach Aggregatausführung, meistens aus kannelierten Hohlrippen. Die Kannelierung vergrößert zum einen die Rippenoberfläche, zum anderen bewirkt die gerippte Oberfläche eine mehr turbulente Strömung (Verwirbelung) innerhalb der Wärmetauschstruktur, weshalb insgesamt ein besserer Wärmeübergang von den Rippen zur vorbeiströmenden Luft erzielt wird. Bei normalen Glattrippen und erzwungener Konvektion sind die zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmenden Luft relativ gering, da die einstellende laminare Luftströmung nicht ausreicht, um die Wärme an die Umgebung abzuführen.

Als vorgeschaltete Lüftermotoren, finden je nach Leistungsklasse und Aggregatgröße, hochwertige Ausführungen als Axial- oder Radiallüftermotor (Bild 3) ihren Einsatz. Die verwendeten Lüfter sind wärmetechnisch hinsichtlich Luftgeschwindigkeit, Volumenstrom und Staudruck auf die jeweilige Wärmetauschstruktur angepasst. Lüfteraggregate in verschiedenen Ausprägungen stellen in der industriellen Elektronik eine erprobte Technik dar, sind für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen entwickelt und liefern darüber hinaus einseitige und doppelseitige Halbleitermontageflächen.

Per se bewirken die materialstarken Bodenplatten eine sehr gute Wärmespreizung innerhalb des Gesamtsystems und ermöglichen dem Anwender des Weiteren eine solide sowie sichere Befestigung der Leistungshalbleiter auf dem Lüfteraggregat mittels eingebrachter Aufnahmegewinde. Auf die Applikation angepasste aktive Lösungen mittels Lüfteraggregat von Fischer Elektronik, sind nicht nur zur Bauteilentwärmung im Bereich der Leistungselektronik gerne gesehen, sondern garantieren ein effizientes thermisches Management in fast allen industriellen Elektronikbereichen.

Wasser und Elektronik verträgt sich

Erfordert die Applikation performantere Entwärmungskonzepte oder sind die zuvor genannten Konzepte zu voluminös und passen nicht in die Einbausituation, dann finden vielfach leistungsstarke Flüssigkeitskühlkörper ihren Einsatz. Die Akzeptanz dieser Art der Entwärmung ist allerdings immer noch schwierig und wird von vielen Anwendern skeptisch begutachtet, obwohl die Problematik der Verträglichkeit von Elektronik und Wasser aufgrund der hohen Verarbeitungsqualität kein Thema mehr darstellt. Spezielle Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, Arten der Kopplungssysteme als auch die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme sind zuverlässiger Stand der heutigen Technik.

Fischer Elektronik bietet auf die Applikation angepasste Flüssigkeitskühllösungen als I- oder U-durchströmte Variante (Bild 4). Die Effizienz der Flüssigkeitskühlkörper mit dem Kühlmedium Wasser ist physikalisch sowie auch wärmetechnisch sehr gut und sehr leistungsfähig. Betrachtet man die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit 4,182 kJ/kg×K, so ist diese etwa 4-fach größer als die von Luft, wodurch die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zu anderen Entwärmungskonzepten deutlich hervorzuheben ist.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit der sehr kompakten Bauweise am zu kühlenden Bauelement, da Flüssigkeitskühlkörper bauartbedingt keine Notwendigkeit für große Wärmespreizflächen haben und die Entwärmung direkt am Bauteil stattfindet. Die verschiedenartigen Fluidsysteme werden komplett aus Aluminium gefertigt, einschließlich der Schlauchanschlüsse und besitzen des Weiteren eine interne, dreidimensionale Wärmetauschstruktur (Bild 4).

Des Weiteren ist die zueinander versetzte Lamellenstruktur wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden und sorgt für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit. Hierdurch wird ebenfalls, im Gegensatz zu üblichen Rohrsystemen, eine homogene und flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers erreicht und die aufgrund der Wärmetauschstruktur entstehenden Strömungsverluste sind minimal.

Die zur Montage der Leistungshalbleiter und Module exakt plan gefräste, dicke Befestigungsplatte erlaubt darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile. Zur Vermeidung der bekannten Lochfraßkorrosion, um ein Auflösen des Materials zu verhindern, ist bei Aluminiummaterialien auch der Einsatz von Korrosionsinhibitoren (Kühlschutzmittel) angezeigt. Empfohlen wird in der Anwendung ein Wasser/Glykol-Gemisch in der prozentualen Aufteilung von 50/50. (neu)