Ein unzureichendes thermisches Management beziehungsweise ein falsch ausgelegtes Entwärmungskonzept zur Steuerung der Temperatur elektronischer Bauelemente, ist neben Vibration, Feuchtigkeit und Staub, eine der elementaren Einflussgrößen für eine einwandfreie Funktion elektronischer Systeme oder Halbleiter. Besonders die Entwärmung von Hochleistungshalbleitern stellt so manches Entwärmungskonzept vor eine nicht so einfach zu lösende Aufgabe. Die Höhe der Umgebungstemperatur, die Häufigkeit und Geschwindigkeit von Temperaturwechseln sowie die durch den Stromfluss bei höherer Leistungsdichte verursachte Temperatur in den Leitern, lassen die Halbleiter in verschiedenartigen Applikationen ausfallen. Sowohl die elektrischen Eigenschaften eines Bauteils als auch die dazugehörige Lebensdauererwartung haben einen Bezug zur Temperatur.

Bild 1: Hochleistungskühlkörper sowohl für die freie als auch erzwungene Konvektion liefern effiziente Entwärmungslösungen nicht nur im Bereich der Leistungselektronik.

Bild 1: Hochleistungskühlkörper sowohl für die freie als auch erzwungene Konvektion liefern effiziente Entwärmungslösungen nicht nur im Bereich der Leistungselektronik. Fischer Elektronik

Untersuchungen zeigen, dass eine Absenkung der Temperatur einer exponentiellen Zunahme der Zuverlässigkeit eines Gerätes entspricht. Infolge dessen bewirkt ein passendes thermisches Management zur Steuerung der Betriebstemperatur innerhalb der zulässigen Grenzen eine lange Lebensdauer sowie eine stabile Zuverlässigkeit der elektronischen Bauteile. Ein Versagen des Wärmemanagements führt unweigerlich zu Fehlfunktionen oder gar zum Ausfall des elektronischen Bauelements. Somit sollten angepasste Entwärmungskonzepte eine möglichst einfache Struktur besitzen, um deren angesprochene Zuverlässigkeit zu erreichen. Neben einer effizienten Wärmeabfuhr ist eine Entwärmungslösung auch durch einfache Struktur und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis charakterisiert.

Kühlkörper für die Leistungselektronik

Hochleistungskühlkörper (Bild 1) für die freie Konvektion sind heute noch immer die häufigste verwendete Entwärmungskomponente im Bereich der Leistungselektronik. Hochleistungskühlkörper basieren ebenfalls auf dem Wirkprinzip der freien Konvektion und kommen dann zum Einsatz, wenn klassische Strangkühlkörper und deren damit verbundene Performance nicht mehr ausreichend ist. Die Produktgruppe der Hochleistungskühlkörper beinhaltet Lösungen sowohl für die freie als auch für die erzwungene Konvektion. Hochleistungskühlkörper überbieten normale Strangkühlkörper, wie zum Beispiel für die Entwärmung von elektronischen Bauteilen im TO-Gehäuse, durch deren voluminöse Abmessungen, aber auch durch ihre Leistungsfähigkeit in punkto Wärmeabfuhr. Aufgrund der Abmessungen und der damit benötigen Pressenkraft beim Strangpressen lassen sich Hochleistungskühlkörper allerdings nicht als ein Teil herstellen. Dieses wäre sicherlich aus wärmetechnischer Betrachtung sinnvoller, allerdings in der Praxis ebenfalls unter Betrachtung wirtschaftlicher Aspekte nicht umsetzbar.

Eckdaten

Besonders im Bereich der Leistungselektronik ist ein effizientes Wärmemanagement von großer Bedeutung. Ein Versagen des Wärmemanagements führt unweigerlich zu Fehlfunktionen oder gar zum Ausfall des elektronischen Bauelements. Je nach Anwendung können beispielsweise Hochleistungskühlkörper oder auch Lüfteraggregate mit ihren verschiedenen Aufbauten, zu einer deutlich verlängerten Lebensdauer der einzelnen Bauteile beitragen.

Hochleistungskühlkörper lassen sich auf drei verschiedene Arten herstellen. Gemäß dem ersten Verfahren enthält der stranggepresste Kühlkörperboden eine spezielle Einpressgeometrie, in welche je nach Applikation und Kundenvorgabe, verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen eingepresst sind. Die so entstehenden Kühlkörpergeometrien sind sowohl für die freie als auch erzwungene Konvektion geeignet. Beim zweiten Herstellungsverfahren sind die einzelnen Kühlrippen ebenfalls in unterschiedlichen Höhenformaten strangpresst. Hierbei enthalten die einzelnen Kühlrippen am Rippenfuß ein spezielles Nut- und Federsystem. Die Nut und Feder sind in punkto Toleranzen aufeinander abgestimmt, wodurch sich nun mehrere Rippen miteinander verbinden beziehungsweise nebeneinander verpressen lassen. Aufgrund dessen ist die Möglichkeit gegeben individuelle auf die Applikation angepasste Kühlkörperbreiten herzustellen. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung von Hochleistungskühlkörpern ist das Reibrührschweißen (Friction Stir Welding). Reibrührschweißen ist ein Festkörperverbindungsprozess, bei dem mit einem nicht verbrauchbaren Werkzeug zwei gegenüberliegende Werkstücke im kalten Zustand nur mit deren Eigenmasse plastisch miteinander verbunden werden. Hierdurch lassen sich Aluminiumprofile mit besonders großen Abmessungen und Kühlkörperbreiten bis 900 mm herstellen.

Bild 2: Unterschiedliche Ausführungen der Lüfteraggregate sind individuell nach kundenspezifischen Vorgaben und Applikationen zu modifizieren sowie anzupassen.

Bild 2: Unterschiedliche Ausführungen der Lüfteraggregate sind individuell nach kundenspezifischen Vorgaben und Applikationen zu modifizieren sowie anzupassen. Fischer Elektronik

Die relativ starke Bodenplatte der Kühlkörper, unabhängig vom Herstellungsverfahren, sorgt für eine gute Wärmeverteilung innerhalb der gesamten Kühlkörpergeometrie und dient darüber hinaus mittels eingebrachter Aufnahmegewinde als solide Befestigungsmöglichkeit für die zu entwärmenden Leistungshalbleiter. Eine optimale wärmetechnische Montage der Leistungshalbleiter auf dem Kühlkörper ist allerdings oftmals aufgrund einer unvermeidbaren Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung erschwert. Je nach Applikation und Einbaubedingungen sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Gemäß Datenblättern der Halbleiterhersteller sind oftmals zur Montage der Halbleiter Flächen mit einer Ebenheit von <0,02 mm nötig. Diese Angaben sind allerdings aufgrund des Herstellungsverfahrens nicht zu erreichen und sind zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs durch eine mechanische Nacharbeit herzustellen. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erreichen.

Performancesteigerung durch Luftzufuhr

Die angesprochenen Hochleistungskühlkörper liefern gute Entwärmungsmöglichkeiten, sind bei der Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen allerdings nicht immer die erste Wahl der Anwender. Die geometrischen Abmessungen oder besonders das Gewicht eines Hochleistungskühlkörpers sind nicht für jede Applikation und Einbaubedingung geeignet. Leistungsstärkere Entwärmungskonzepte in Form von Lüfteraggregaten (Bild 2) rücken dann in den Vordergrund. Lüfteraggregate basieren auf dem Prinzip der forcierten Konvektion und besitzen eine innenliegende, umschlossene Wärmetauschstruktur, welche gut auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten in punkto Luftgeschwindigkeit und -volumen abgestimmt ist. Die über die unterschiedlichen Lüftermotoren erzeugte Luftströmung wird bei allen Lüfteraggregaten in gerichteter Form durch die Wärmetauschstruktur, dem Rippenkanal, geleitet.

Bild 3: Segmentlüfteraggregate bestehen aus verschiedenartigen Kreis- und Längssegmenten, welche untereinander elektrisch und thermisch isoliert werden können.

Bild 3: Segmentlüfteraggregate bestehen aus verschiedenartigen Kreis- und Längssegmenten, welche untereinander elektrisch und thermisch isolierbar sind. Fischer Elektronik

Lüfteraggregate sind in den verschiedenartigsten Ausführungen und Größen auf dem Markt verfügbar. Die Artikelgruppe umfasst Miniatur- und Kühlkörper-, zur Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen diverse Hohlrippen- und Hochleistungslüfteraggregate. Eine Besonderheit bilden die sogenannten Segmentlüfteraggregate, welche modular aus einzelnen Strangpressprofilen aufgebaut sind (Bild 3). Geviertelte Kreissegmente als auch abschnittsweise Längselemente mit innenliegenden Rippen sind so zusammengebaut, dass die vom angeschraubten Lüftermotor erzeugte Luftströmung gerichtet durch den so gestalteten Rippentunnel führen. Die Montage der jeweiligen Halbleiter erfolgt direkt auf dem ausgewählten Segment über speziell eingebrachte Lochbilder beziehungsweise Aufnahmegewinde. Als weitere Funktion lassen sich die einzelnen zusammen montierten Längssegmentabschnitte untereinander elektrisch isolieren.

Lamellenlüfteraggregate

Auch Lamellenlüfteraggregate können als effiziente Hochleistungslüfteraggregate dienen (Bild 4). Lamellenlüfteraggregate bestehen aus einem aus Einzelteilen zusammengesetzten Tubus. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten sind mit einer wabenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt und massive Aluminiumblöcke sind zu Montageplatten zusammengefügt. Damit sich sämtliche Komponenten wärmetechnisch und mechanisch miteinander verbinden lassen, ist eine Hartlötung des Gesamtaufbaus im letzten Arbeitsgang erforderlich. Die von den Montageplatten aufgenommene Wärme lässt sich über die einzelnen Stegplatten an die Wabenstruktur weiterleiten und letztendlich an die durchströmende Luft abgeben. Aufgrund des beschriebenen Herstellungsverfahrens besteht die Möglichkeit, Wärmetauschstrukturen zu erstellen, die eine deutlich größere Dichte und Fläche aufweisen.

Bild 4: Je nach Wärmetauschstruktur des Basisprofils und verwendeten Lüftermotor werden kleinste thermische Widerstände nahe einer Flüssigkeitskühlung generiert.

Bild 4: Je nach Wärmetauschstruktur des Basisprofils und verwendetem Lüftermotor werden kleinste thermische Widerstände nahe einer Flüssigkeitskühlung generiert.

Fischer Elektronik

Die Verwendung von Radiallüftermotoren (Bild 4) in Verbindung mit dem Basisprofil der Lüfteraggregate führt zu einer weiteren Leistungssteigerung der erzwungenen Konvektion. Die damit zu realisierenden Hochleistungslüfteraggregate können sehr großformatig sein und besonders, auch in der Aggregatlänge, erheblich über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen. Je nach Lüfteraggregatabmessungen erzielen Luftfördermengen von bis zu 1400 m3/h kleinste Wärmewiderstände von unter 0,015 K/W.

Fazit

In Summe zeichnen sich die unterschiedlichen Arten der Lüfteraggregate durch exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, strömungsoptimierte Hohlrippengeometrien und Lamellenstrukturen für geringe Strömungsverluste, ebenfalls die Möglichkeit einzelne Profilsegmente elektrisch und thermisch zu isolieren, aus. Lüfteraggregate mit ihren unterschiedlichen Aufbauten liefern im Bereich der Leistungselektronik effiziente Lösungsmöglichkeiten der Bauteilentwärmung und sind bereits für viele Applikationen als eine erprobte und kostengünstige Technik anzusehen. Nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung funktionierend sind allerdings bei diversen Lüfteraggregatlösungen, gleichfalls auch die physikalischen Gegebenheiten wie die spezifische Wärmeleitfähigkeit, das Gewicht und die Baugröße sowie der Preis pro abgeführter Wärmemenge in Watt, zu betrachten.