Entwärmungskonzepte für Leistungshalbleiter

Die steigenden Leistungsdichten von elektronischen Bauteilen benötigen zur einwandfreien Funktion effiziente Entwärmungskonzepte, um einem vorgegebenen Temperaturbereich zu halten. Um die in den Produktdatenblättern genannte Lebensdauer zu erreichen, sind Komponenten zur Entwärmung mehr denn je gefragt und kundenseitig verlangt.

Die heutige Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik und findet ihren Anfang im Jahre 1902 mit der Entwicklung des ersten Gleichrichters. Im Wesentlichen ist Leistungselektronik alles, was mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Leistungselektronik beginnt bereits mit einigen Milliampere und wenigen Volt, kann aber auch bis zu einigen Kiloampere und -volt reichen.

Letztendlich steht bei der Umformung der Ströme und Spannungen immer der Wirkungsgrad der elektronischen Komponenten im Vordergrund. Vielzählige Anwendungsfälle finden sich etwa in dem Bereich der elektrischen Antriebstechnik als Umrichter oder Frequenzumrichter, Wechselrichter und Umrichter für Windkraftanlagen sowie Solarmodulen, aber auch Schaltnetzteilen und Leistungstransformatoren. In Analogie zu allen anderen elektronischen Bauelementen kann auch bei Leistungshalbleitern die zugeführte Energie nicht zu einhundert Prozent konvertiert werden. Verluste treten hauptsächlich in Form von Wärme auf, die das Bauteil umwandelt oder abstrahlt. Der ausgeübte Temperaturstress auf elektronische Bauteile steht in direktem Zusammenhang mit deren Lebensdauer. Eine Fehlfunktionen oder die Zerstörung des Bauteils sind die hieraus resultierende Konsequenz. Geeignete, effiziente Entwärmungskonzepte (Bild 1), ob per Luft- oder Wasserkühlung, sind speziell in der Leistungselektronik bei großen Wärmemengen und zeitabhängigen Temperaturbelastungen angeraten.

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, in welchen Anwendungsgebieten sich passive Hochleistungskühlkörper einsetzen lassen.

Passive Hochleistungskühlkörper

Das physikalische Wirkprinzip der freien, natürlichen Konvektion, wird aufgrund der Geräuschlosigkeit in vielen technischen Applikationen und auch in der Leistungselektronik gerne gesehen. Typische Strangkühlkörper erreichen aufgrund von hohen Verlustleistungen oder applikationsspezifischer Randbedingungen oftmals ihre Grenzen in Form der maximal abzuführenden Wärmeleistung. Sogenannte Hochleistungskühlkörper (Bild 2) richten sich wegen ihres Aufbaus und ihrer Geometrie speziell an solche Anwendungsfälle. Da die Herstellung dieser Kühlkörper aber verschiedenen Restriktionen unterliegt, bestehen Hochleistungskühlkörper zunächst aus zwei Teilen und werden erst in einem späteren Arbeitsschritt zusammengefügt.

Hochleistungskühlkörper unterstützen je nach Applikation die freie oder erzwungene Konvektion durch das Verpressen unterschiedlicher Rippengeometrien. Fischer Elektronik

Der im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörperboden in U-Form lässt sich strangpresstechnisch nur bis zu einem Breitenmaß von maximal 400 mm aus einem Stück fertigen. Er dient später auch als Halbleitermontagefläche. Größere Breitenvarianten sind deshalb in der Mitte zusätzlich verschweißt. Bei noch größeren Ausführungen gibt es bis zu drei Verschweißungen an unterschiedlichen Stellen. Mittels Reibrührschweißens (Friction Stir Welding) ist es auch möglich, Aluminiumprofile in Breiten von bis zu 900 mm herzustellen. Dieser Prozess verbindet einzeln gepresste Kühlkörperböden im kalten Zustand nur mit deren Eigenmasse plastisch miteinander. Die Halbleitermontagefläche weist eine Materialstärke je nach Typ von 15 bis 20 mm auf und sorgt somit einerseits für eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers, anderseits für eine sichere und feste Bauteilmontage mit verschiedenen eingebrachten Gewindetypen. Die Rückseite des Kühlkörperbodens, also die nach innen zeigende Fläche, enthält eine spezielle Einpressgeometrie, welche ebenfalls direkt durch das Strangpressen entsteht. Je nach Applikation lassen sich die Kühlkörper auch um verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen erweitern. Mithilfe einer kannelierten Rippenoberflächenstruktur wird eine Wirkungsgradverbesserung von rund zehn Prozent bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft gegenüber herkömmlichen Glattrippen erzielt.

Neben einer soliden und guten Befestigungsmöglichkeit der Leistungshalbleiter durch angepasste Aufnahmegewinde im Kühlkörperboden bedarf es einer zusätzlichen Betrachtung. Die Kühlkörperprofile sind aufgrund der komplexen Herstellung ohne mechanische Nachbearbeitung niemals hundertprozentig eben, sondern erschweren eine thermische Kontaktierung wegen einer Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung. Hinzu kommen Toleranzen bei der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung sowie Planparallelität, die je nach Applikation und Einbaubedingung unterschiedlich ausfallen kann. Entwickler müssen diese auch berücksichtigen.

Das folgende Beispiel verdeutlicht die wichtige Rolle der genannten Toleranzen: Ein Kühlkörper mit einer Breitenabmessung von 750 mm und einer Gesamtrippenhöhe von 83,5 mm inklusive einer Bodenstärke von 20 mm, darf laut Fertigungszeichnung eine Winkelabweichung der Rippen zueinander von bis zu 3 mm aufweisen. Die Abweichung der Ebenheit der Halbleitermontagefläche, also dem Kühlkörperboden, kann als Hüllkurve gesehen höchsten 3,6 mm betragen (konvex/konkav). Das genannte Beispiel verdeutlicht, dass die etwa für große IGBT-Module nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von <0,02 mm, ohne jegliche CNC-technische Nacharbeit nicht zu erreichen oder presstechnisch nicht herzustellen sind. Ein innovativer CNC-Maschinenpark mit geeigneten Fräswerkzeugen, bietet allerdings hervorragende Möglichkeiten und Lösungen für Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit.

Wie sich Luft und Wasser zur Kühlung nutzen lassen, lesen Sie auf der nächsten Seite.

Luft und Wasser für mehr Performance

Zusätzliche Luftströmungen in Form von Axial- oder Radiallüftermotoren ermöglichen eine erhebliche Leistungssteigerung der zuvor genannten Hochleistungskühlkörper. Verschiedenartige Hochleistungslüfteraggregate spiegeln in der Leistungstechnik eine erprobte Technik wider. Zudem lässt sich durch die erzwungene Konvektion das zunehmenden Problem, Halbleiter in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich zu betreiben und zu halten, einfach und kostengünstig lösen. Die Kühlkörperböden dienen zudem als Halbleitermontagefläche für eine einseitige oder doppelseitige Bauteilbestückung der Aggregate, bewirken aber gleichzeitig auch eine homogene Wärmespreizung im Gesamtsystem-Kühlkörper. Der innere, sogenannte Luftkanal oder auch Rippentunnel besteht aus in das Grundprofil eingepressten, kannelierten Hohlrippen. Die wärmetechnisch optimierten Hohlrippen sind mithilfe von speziellen Vorrichtungen und Werkzeugen, formschlüssig mit der Basisplatte verpresst. Eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung der Rippen bei einer Luftströmung gegenüber herkömmlichen Glattrippen ergibt sich durch die gewellte Oberflächenstruktur (Kannelierung). Hierdurch entsteht bei Luftdurchströmung im Rippentunnel eine hohe, turbulente Verwirbelung, welche einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft mit sich bringt.

Die Kombination zwischen Hochleistungskühlkörper und leistungsstarken Radiallüftermotoren ergeben kleinste Wärmewiderstandswerte. Fischer Elektronik

Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz erzielt eine Leistungsverbesserung bei der Wärmeabfuhr, bedarf allerdings durch den steigenden Gegendruck (Staudruck) leistungsstarke Lüftermotoren, um den Rippenkanal ausreichend mit Luft zu durchströmen. Die Verwendung von Radiallüftermotoren (Bild 3) führt in Verbindung mit den Hohlrippengrundprofilen gleichfalls zu einer noch deutlicheren Leistungssteigerung der Wärmeableitung. Mit Förderleistungen von bis zu 1400m³/h sind Wärmewiderstände im Bereich von bis 0,015K/W zu erreichen. Die damit zu realisierenden Hochleistungslüfteraggregate können sehr großformatig sein und besonders in der Aggregatlänge erheblich über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen.

Die Entwärmung hoher Leistungsdichten mittels Hochleistungslüfteraggregate eignet sich aber nicht immer. Wenn etwa das in der Applikation zur Verfügung stehende Einbauvolumen begrenzt ist, das relative hohe Gewicht oder die starke Geräuschentwicklung der aktiven Kühlung ein Ausschlusskriterium darstellt, eignen sich alternative Kühlungssysteme besser.

Verschiedenartige Flüssigkeitskühlkörper in Verbindung mit dem Kühlmedium Wasser ermöglichen die Wärmeabfuhr hoher Verlustleistungen. Fischer Elektronik

Effiziente Flüssigkeitskühlkörper (Bild 4) liefern eine deutliche Leistungssteigerung bei der Wärmeabfuhr leistungsstarker Halbleiterbauelemente und stellen bei diversen technischen Anwendungen eine echte Alternative zur Luftkühlung dar. I- oder U-durchströmte Flüssigkeitskühlkörper in Verbindung mit dem Kühlmedium Wasser, liefern effiziente und leistungsfähige Entwärmungskonzepte und sind bei der Wärmeabfuhr deutlich über den genannten Hochleistungslüfteraggregaten anzusiedeln. Alleine durch die Betrachtung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser, welche vierfach höher ist als die der Luft, lässt sich eine deutliche Differenzierung erkennen. Die Flüssigkeitskühlkörper bestehen komplett aus Aluminium mit einer innenliegenden, dreidimensionalen, gegeneinander versetzten Wärmetauschstruktur. Das System nutzt zur Kühlung ein Wasser-Glykol-Gemisch. Die innenliegende Wärmetauschstruktur in Form von einzelnen Kühllamellen ist wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden, wodurch ein optimaler Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit entsteht. Sehr ebene, durch eine CNC-Bearbeitung plan gefräste Halbleitermontageflächen, dienen aufgrund ihrer Materialstäke zur Befestigung der elektronischen Bauelemente und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile.

(prm)