Effiziente Entwärmungskonzepte für mehr Sicherheit und Lebensdauer

In Abhängigkeit der Bauteilgröße und deren Verwendung in einer bestimmten Applikation, sind effiziente Entwärmungslösungen mehr denn je nachgefragt. Ziel solcher Systeme ist es, die elektronischen Bauteile in einem vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich zu betreiben, um langfristig die positiven Eigenschaften und Funktionsmerkmale dieser Bauteile zu gewährleisten. Zu hohe Temperaturen beziehungsweise die sogenannte Verlustwärme entsteht im Bauteil selbst, da nicht die gesamte zugeführte Energie in Leistung umgewandelt wird. Es entstehen aufgrund physikalischer Vorgänge Verluste im Bauteil, welche unmittelbar in schädliche Wärme umgewandelt werden. Wird es dem Bauteil als Konsequenz zu warm, sind Fehlfunktionen oder Bauteilausfälle oder gar eine Bauteilzerstörung vorprogrammiert. 

Elektronische Bauteile erfordern je nach Anwendung, Verlustleistung und Einsatzgebiet, effektvolle auf die Applikation angepasste Entwärmungskonzepte. Fischer Elektronik als namhafter Hersteller von verschiedenartigen Entwärmungskomponenten und auch Problemlöser für unterschiedlichste Entwärmungsaufgaben, liefert ein umfangreiches Standardprogramm und kann dieses ebenfalls mittels eines hochmodernen Maschinenparks auf die Kundenbedürfnisse anpassen. Verschiedenartige Kühlkörpervarianten als Aluminiumstrangpressprofil, Kupfer- oder Aluminiumblechbiegeteile für die Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte, aktive Lösungen als Lüfteraggregat oder Flüssigkeitskühlkörper für Bauteile mit größerer Verlustleistung, ermöglichen eine solide und sichere Entwärmung elektronischer Bauteile und Komponenten. 

Strangkühlkörper aus Aluminium als Standardlösung 

Stranggepresste Kühlkörper (Bild 1) aus Aluminium sind in der Elektronik zur Bauteilentwärmung weit verbreitet, genauer gesagt, nach wie vor eine der am häufigsten eingesetzten Entwärmungsmethoden. Beim Strangpressen wird wie im Extrusionsverfahren ein erwärmter Aluminiumblock kurz vor der Schmelzgrenze durch eine Werkzeugmatrize gepresst. Diese enthält als negativ die eigentliche Kühlkörpergeometrie. Das genannte Aluminium ist eine spezielle Legierung und besitzt neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit weiterhin funktionelle Eigenschaften, wie ein relativ geringes spezifisches Gewicht, eine hohe Festigkeit bei sehr guter Zerspanbarkeit. Des Weiteren eignet sich das Material hervorragend für vielzählige Oberflächenbeschichtungen. 

Wie kühlt man ein Netzteil?

Da kein Netzteil vollständig verlustfrei arbeitet, entsteht ein Teil der eingesetzten Energie zwangsläufig als Wärme. Eine geeignete Wärmeableitung ist daher entscheidend für Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Stromversorgungen.

Sabine Synkule

Zu Beginn eines jeden Projektes steht oftmals die Frage im Raum, welcher Kühlkörper sich am besten für die Entwärmungsaufgabe eignet, beziehungsweise zur Applikation passt. Um das Thema Auswahlprozess etwas einzugrenzen, ist es sinnvoll im ersten Schritt den so genannten Wärmewiderstand überschlagsmäßig zu berechnen. Einfache Berechnungsformeln liefern keine wissenschaftliche Ausarbeitung, helfen aber dabei das Wärmeproblem einzugrenzen. Anhand des berechneten Wärmewiderstandes kann unter Berücksichtigung der weiteren Randbedingungen, wie z.B. der max. zur Verfügung stehende Einbauraum, eine Auswahl des Kühlkörpers anhand der in den Katalogen der Kühlkörperhersteller gemachten numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen erfolgen. Weiterhin liefert die Größe des thermischen Widerstandes eine Aussage darüber, ob die Entwärmungsaufgabe passiv mittels der freien Konvektion, aktiv mittels der forcierten Konvektion oder nur durch den Einsatz von Flüssigkeiten zu lösen ist. 

Das Design des jeweiligen Kühlkörpers wird im Hause Fischer Elektronik nicht einfach so gewählt, sondern genaustens analysiert. Hierfür wird eine spezielle Simulationssoftware eingesetzt, die im Besonderen auf die physikalischen Gegebenheiten, wie Wärmeleitung und -strahlung ausgelegt ist. Im Detail wird der Wärmeverlauf im gesamten Kühlkörper betrachtet, da sich die thermische Performance von Strangkühlkörpern aus dem richtigen Verhältnis zwischen Bodenstärke, Rippenhöhe, -abstand und -anzahl zusammensetzt. Je nach entstandener Kühlkörpergeometrie und dessen Materialverteilung, müssen im Vorfeld gleichfalls die auftretenden Fertigungstoleranzen Beachtung finden. Fertigungstoleranzen sind beim Strangpressverfahren unvermeidlich und obliegen internationaler DIN-Normen. 

In Punkto Durchbiegung der Montageflächen, aber auch der Breiten- und Höhentoleranz, können diese je nach Größe des Profilquerschnitts erheblich sein und erfordern oftmals eine mechanische Nachbearbeitung, zumal ein Strangkühlkörper bei der Verwendung in der Gesamtkonzeption der Applikation berücksichtigt werden muss. Oftmals stellt der Kühlkörper eine im Gerät verbaute Komponente dar, weshalb dieser immer in Zusammenhang mit anderen Bauteilen zu betrachten ist. 

Luft und Wasser liefern Performance bei der Entwärmung

Gelangen die genannten Strangkühlkörper aus Aluminium an ihre leistungstechnischen Grenzen, sind die in der Applikation geforderten Temperaturdifferenzen zu klein oder ist die abzuführende Verlustleistung der eingesetzten Bauteile zu groß, dann sind aktive Entwärmungskonzepte in Form von sogenannten Lüfteraggregaten (Bild 2) sinnvoll einzusetzen. Lüfteraggregate enthalten im Aufbau aus eine umschlossene Hohlkammer, welche in ihrem Aufbau und Wärmetauschgeometrie jeweils auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit und -volumen, abgestimmt sind. Der mittels der vorgeschalteten Lüftermotoren erzeugte Luftstrom, wird in gerichteter Form durch die umschlossene Wärmetauschstruktur geleitet. Hierdurch sind Lüfteraggregte als aktive Entwärmungslösung sehr effektiv und stellen bereits in vielen Bereichen der Leistungselektronik eine erprobte Technik dar. Hierfür stehen spezielle Systeme als Segment-, Miniatur-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggregat, mit Axial-, Radial- oder Diagonallüftermotor, zur Verfügung. Die unterschiedlichen modularen Aufbauten der Lüfteraggregate sowie deren technische Realisierung sind auf die vielfältigen Anwendungen, Bauteilgrößen und der damit verbundenen abzuführenden Verlustleitung angepasst. Effiziente innenliegende und strömungsoptimierte Wärmetauschflächen, ein- oder doppelseitige exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, runden die vielzähligen positiven Eigenschaften der Lüfteraggregate ab. 

Etliche leistungstechnische Anwendungen erfordern die Wärmeabfuhr großer Verlustleistungen, die mit aktiven Lösungsansätzen nicht mehr umzusetzen sind. Nach dem Element Luft, folgt das Element Wasser, welches sich alleine durch die Betrachtung der spezifischen Wärmekapazität gegenüber der Luft deutlich unterscheidet. Die sogenannten Flüssigkeitskühlkörper (Bild 3) werden mit dem Kühlmedium Wasser oder Öl betrieben und liefern ausgezeichnete sowie sehr leistungsfähige Lösungen zur Bauteilentwärmung. Flüssigkeitskühlkörper aus dem Hause Fischer Elektronik, in unterschiedlichen Ausführungen als I- oder U-durchströmte Variante, besitzen im inneren Strömungskanal eine zueinander versetzte Lamellenstruktur. Diese ist wärmeleitend über ein spezielles Lötverfahren mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden, wodurch ein sehr guter Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauelement in die durchströmende Flüssigkeit umgesetzt wird. 

Optimale Wärmesenke für Elektrobauteile

Im Fokus des Forschungsprojekts ThermoPro steht nicht das Kühlkonzept, sondern die Geometrie der Kühlkörper. Ein Softwaretool soll mithilfe von KI die optimalen Geometrieparameter des Kühlers darstellen und Kühlkörper für beliebige Bauteile auslegen.

Des Weiteren sorgt die Struktur für eine homogene (flächige) Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers, womit gleichfalls die entstehenden Strömungsverluste minimiert werden. Exakt plangefräste, dicke Halbleitermontageflächen dienen zur Befestigung wärmeemittierender Bauelemente und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile ohne jegliche Beschränkung. Nicht nur aufgrund der 4-fach höheren Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft, erscheint eine Flüssigkeitskühlung als Entwärmungskonzept überragend und bei etlichen Anwendungen durchaus als überlegenswert.

In Kontakt bleiben: Thermische Kontaktmaterialien

Thermische Kontaktmaterialien (TIM) dienen zur Verbesserung der Wärmeleitung beim Übergang von der einen Komponente auf die andere. Oftmals betrifft das die Kontaktierung eines zu entwärmenden Bauteils auf einer Wärmesenke. Die Oberflächen der Kühlkörper, aber auch der elektronischen Bauteile, wirken auf den ersten Eindruck eben und glatt. Gemäß Literatur wird lediglich mit einer Kontaktfläche, ohne mechanische Nachbearbeitung, von 2 bis 5 Prozent gerechnet. Die restliche Fläche ist ein Luftpolster, welches aus Zwischenräumen besteht, in denen die Luft als thermischer Isolator fungiert. Diese Luftpolster gilt es mit geeigneten Wärmeleitmaterialien auszugleichen, da die Luft bekanntermaßen sehr schlecht die Wärme leitet. Leider wird vielfach bei der Auswahl von Wärmeleitmaterialien nur der Wert der Wärmeleitfähigkeit als Entscheidungskriterium betrachtet, ohne wirklich einen Blick auf die vorhandene Einbausituation und die geforderten Randbedingungen zu werfen. Der Wärmewiderstand, die thermische Impedanz bei appliziertem Anpressdruck, die Eben- und Rauheit der Kontaktpaarung, die elektrische Isolierung oder Leitung (Isolationswiderstand), der Temperaturbereich und die Durchschlagsfestigkeit, sind nur einige Parameter, die es zu berücksichtigen gilt. Das bereits benannte Auswahlkriterium der Wärmeleitfähigkeit ist damit zu begründen, dass diese zwangsläufig zu einem geringeren Temperaturanstieg am elektronischen Bauteil und damit zu einer längeren Lebensdauer führen muss.  

Die Produktwelt der Wärmeleitmaterialien beinhaltet unzählige unterschiedliche Ausführungen und Lösungsansätze. Angefangen von altbekannten Wärmeleitpasten und -klebern bis hin zu silikonhaltigen und silikonfreien Wärmeleitfolien, Schaum- und GEL-Folien, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen-Change-Materialien in fest und flüssig, einseitig und doppelseitig klebenden Folien, Kapton- und Glimmerscheiben sowie Aluminiumoxydmaterialien, werden diese Materialien in den unterschiedlichsten Konfektionen angeboten. Bei der Auswahl für die Applikation geeigneter Wärmeleitmaterialien, ist es stets ratsam in einem ersten Schritt die Kontaktpaarung zu betrachten. Erforderliche Randparameter, zu überbrückende Spaltmaße, welche durch die Konvexität und Konkavität einer jeden Kontaktpaarung gegeben sind, müssen genauestens einer Analyse unterzogen werden (Bild 4). 

Aluminium-Tragschienengehäuse für flexible Systeme

Tragschienengehäuse aus Aluminium verbinden Schutz, Stabilität und Wärmeableitung mit modularem Design. Sie ermöglichen flexible Lösungen für Automatisierung, Industrie und Elektronik – von robusten Kombinationsgehäusen bis zu thermisch optimierten Halbschalen.

Zu guter Letzt ist es vielfach notwendig die angesprochenen Materialien speziell auf die Kundenapplikation bzw. die Kontaktpaarung in Form besonderer Geometrien oder Zuschnitte anzupassen. Wärmeleitfolien können aufgrund ihrer Eigenschaften und Weichheit relativ einfach nach kundenspezifischen Vorgaben oder als Konstruktionsteil mittels Stanzautomaten oder Schneidcutter produziert sowie konfektioniert werden. Aus Platten- oder Rollenmaterial erfolgt mittels geeigneter CAD-Daten eine toleranzgenaue Schneidvorlage. Darüber hinaus ist als weiterer echter Mehrwert bei Fischer Elektronik ein-24-Stunden-Muster-Lieferservice gegeben, womit der Anwender seine ausgewählten Materialien direkt an oder in der Applikation schnell und unkompliziert testen sowie bewerten kann. (na)