Bauteileentwärmung Angesagte Themen beim Wärmemanagement

Von Jürgen Harpain *

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Eine Entwärmungslösung muss genauestens analysiert und ausgewählt werden. Welche Randparameter dabei eine Rolle spielen, hängt von der Applikation und den Einbaubedingungen ab. Folgende Optionen haben Sie beim Wärmemanagement von Elektronik-Baugruppen.

Perfektes Wärmemanagement: Auf die Applikation angepasste Strangkühlkörper für die freie Konvektion resultieren oftmals aus umfangreichen mechanischen Anpassungen.
Perfektes Wärmemanagement: Auf die Applikation angepasste Strangkühlkörper für die freie Konvektion resultieren oftmals aus umfangreichen mechanischen Anpassungen.
(Bild: Fischer Elektronik)

Das stetige Bestreben elektronische Bauteile noch kleiner und kompakter, allerdings mit gleichbleibender bzw. steigender Verlustleistung pro Flächeneinheit herzustellen, führt unweigerlich im Bereich des Wärmemanagements zu Problemen und Herausforderungen. Effektive Entwärmungslösungen werden heute mehr denn je gefragt und gefordert. Denn unkontrollierte Temperaturschwankungen haben einen direkten und negativen Einfluss auf die Bauteillebensdauer und -effizienz.

Die Bauteilhersteller spezifizieren die maximal zulässigen Temperaturbereiche grundsätzlich in ihren dazugehörigen Bauteildatenblättern. Diese gilt es für den Anwender einzuhalten, da zu starke Temperaturschwankungen bzw. -abweichungen im ungünstigsten Fall zu Funktionsausfällen oder sogar zur Zerstörung des Bauteils führen können. Wirkungsvolle Entwärmungslösungen lassen sich in drei unterschiedliche Wirkungsweisen klassifizieren.

Differenziert wird zwischen der natürlichen (freien) Konvektion, der erzwungenen (forcierten) Konvektion mit Hilfe von zusätzlichen Luftströmungen (Lüftermotoren) und der Entwärmung mittels Flüssigkeiten, wie Wasser oder Öl.

Die für die Applikation jeweilige und in Frage kommende Entwärmungslösung, muss durch den Anwender genauestens geprüft und anhand verschiedener Randparameter abgewogen und ausgewählt werden. Eine detailgetreue Analyse der thermischen Gegebenheiten ist zwingend erforderlich, ebenso wie die Betrachtung des zur Verfügung stehenden Einbauraums und die damit verbundenen bzw. notwendigen Einbaubedingungen.

Die thermische Analyse hilft bei der Entscheidungsfindung

Die Anforderungen und die Komplexität der heutigen Entwärmungsaufgaben haben sich über die Jahre nicht vermindert, geeignete Problemlösungen und Entwärmungskonzepte sind allerdings besser denn je herauszuarbeiten. Erschwerend beeinflusst die Bauteilminiaturisierung, die Kompaktheit aufgrund der Zusammenfassung mehrerer Funktionsbausteine zu einer Komponente, den zu leistenden Entwärmungsaufwand.

Es gilt anwenderseitig herauszufinden, welches Entwärmungskonzept nach Abwägung sämtlicher Applikationsparameter die beste und effektivste Lösung darstellt. Einfache Berechnungsformeln zur Berechnung des thermischen Widerstandes sind gegeben, liefern allerdings nach einem Abgleich mit den Angaben der Daten in den Herstellerkatalogen nur eine grobe Aussage darüber, ob das thermische Problem passiv, aktiv oder durch den Einsatz von Flüssigkeiten lösbar ist.

Je mehr Randbedingungen in der Applikation berücksichtigt werden müssen, desto schwieriger und unübersichtlicher wird die Berechnungsgrundlage. In der Praxis bringen gerade kundenspezifische Entwärmungsaufgaben deutlich mehr Probleme mit sich, gestalten sich oftmals umfangreicher und komplexer.

Gleichfalls ist die Erwartungshaltung des Kunden an dem Lösungsweg sowie dessen Dokumentation deutlich gestiegen, wodurch neuartige Wege zur Findung einer geeigneten Entwärmungslösung unausweichlich sind. Seitens der Anwender gestaltet sich die Auswahl eines optimalen und gut funktionierenden thermischen Managements, oftmals aufgrund der verschiedenen sowie zu beachtenden Randparameter, als nicht so einfach.

Computergestützte Wärmesimulation

Eine merkliche Entscheidungshilfe, liefert hierbei die computergestützte Wärmesi­mulation, weshalb diese Art der Lösungs­findung auch als Dienstleistung angeboten und durchführt wird. Die computergestützte Wärmesimulation berücksichtigt sämtliche thermische Bauteilparameter und Einbaugegebenheiten der Applikation, wodurch die Anforderungen an das zukünftige Entwärmungskonzept genauestens analysiert werden können.

Basierend auf physikalischen Konzepten, wie die Erhaltung von Masse, Energie und Impuls, berücksichtigt die Software insbesondere die thermischen Voraussetzungen für eine natürliche oder forcierte Konvektion sowie die Entwärmung mittels Flüssigkeiten.

Darüber hinaus werden gleichfalls physikalische Parameter, wie Wärmestrahlung, Luftströmungen und Turbulenzen oder auch transiente Wärmeeinträge bei unterschiedlichen Emissionsfaktoren und Höhenlagen berücksichtigt. Mehr denn je gilt es, thermische Probleme elektronischer Bauteile und kompletter Funktionsbaugruppen im Vorfeld zu analysieren, zur Kostensenkung und -ersparnis bereits bei der Prototypenentwicklung auftretende Schwachstellen aufzudecken und detailgetreu zu ermitteln.

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In Summe ermöglicht die Simulationssoftware nach sorgfältiger Eingabe der vorhandenen Daten eine passgenaue Entwärmungslösung sowie eine enorme Hilfe bei der Entscheidungsfindung und Auslegung des Elektronikdesigns.

Anpassbare Lösungen für Kühlkörper

Bild 1: Mithilfe von individuell anpassbaren Lamellenkühlkörpern lassen sich besonders für die forcierte Entwärmung sehr hohe Rippenverhältnisse generieren.
Bild 1: Mithilfe von individuell anpassbaren Lamellenkühlkörpern lassen sich besonders für die forcierte Entwärmung sehr hohe Rippenverhältnisse generieren.
(Bild: Fischer Elektronik)

Je nach Methodenauswahl zur Berechnung oder Simulation des thermischen Widerstandes erhält der Anwender einige nützliche und notwendige Informationen zum einzusetzenden Wärmemanagement. Die richtige Festlegung beinhaltet mitunter nicht nur die Betrachtung der thermischen Randbedingungen, sondern erfordert ebenfalls eine detailgetreue Analyse der Einbausituation mit den dazugehörigen zur Verfügung stehenden Volumen, dem Gewicht der Entwärmungsmethode und dem aufkommenden Geräuschpegel bei einer forcierten Konvektion. Vielfach ist es nach der Auswahl des Wärmemanagement notwendig, dieses auch mechanisch an die Entwärmungsapplikation anzupassen und in die Einbausituation zu integrieren (Bild 1).

Die Hersteller solcher Entwärmungskomponenten benötigen zur fachgerechten mechanischen Anpassung einen umfangreichen Maschinenpark, um flexibel auf die unterschiedlichen Kundenanforderungen und Randbedingungen zu reagieren. Die kundenseitigen Anforderungen an das Endprodukt und dessen Komplexität bei Toleranzen und Bearbeitungsqualität, aber auch bei Preis und Lieferzeit steigen stetig und müssen permanent mit der jeweiligen Herstellungsart abgeglichen werden.

Beispiel Bonded-Fin-Lamellenkühlkörper

Bild 2: Lamellenkühlköper spezieller Konzeption ermöglichen eine große Oberflächenstruktur, welche im Strangpresseverfahren nicht herzustellen ist.
Bild 2: Lamellenkühlköper spezieller Konzeption ermöglichen eine große Oberflächenstruktur, welche im Strangpresseverfahren nicht herzustellen ist.
(Bild: Fischer Elektronik)

An dieser Stelle sei als sehr gutes Beispiel die Herstellung sogenannter Bonded-Fin-Lamellenkühlkörper genannt (Bild 2). Hierbei ermöglicht die variable Kühlkörperherstellung eine flexible Anpassung der geometrischen Abmessungen des Kühlkörperaufbaus. 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 her sämtliche Abmessungen bei Kühlköperbreite, -länge, -höhe und auch der Rippenabstände und -dicke nach kundenspezifischen Vorgaben und Erfordernissen umzusetzen sind.

Lamellenkühlkörper derartiger Konzeption sind sehr effizient bei der Entwärmung bei forcierter Konvektion. Darüber hinaus bieten Lammelenkühlkörper aufgrund ihrer Kompaktheit und engmaschigen Rippenstruktur eine große Wärmetauschfläche.

Mit TIM wärmetechnisch richtig kontaktieren

Bild 3: 
Verschiedenartige herstellungsbedingte Toleranzabweichungen müssen bei jeder Applikation genauestens auf ihre Akzeptanz geprüft werden.
Bild 3: 
Verschiedenartige herstellungsbedingte Toleranzabweichungen müssen bei jeder Applikation genauestens auf ihre Akzeptanz geprüft werden.
(Bild: Fischer Elektronik)

Genauso wichtig für ein gut funktionierendes Wärmemanagement ist eine wärmetechnisch optimale Bauteilkontaktierung auf der Wärmesenke. Zu kontaktierende Oberflächen weisen immer Abweichungen von einer exakt planen Oberfläche durch Unebenheiten und Rautiefen auf (Bild 3). Zum Ausgleich und wärmetechnischen Überbrückung eignen sich auf die Applikation abgestimmte Wärmeleitmaterialien.

Das Angebot solcher TIM-Materialien reicht von Wärmeleitpasten und -kleber, silikonhaltigen und -freie Elastomeren, Schaum- und GEL-Folien, GEL-Materialien in flüssiger Form, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen veränderndes Wärmeleitmaterial, einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien bis hin zu Kapton- und Glimmerscheiben sowie Aluminiumoxydmaterialien.

Techniktrends für Elektronikkühlung und Wärmemanagement

Cooling Days
(Bild: VCG)

Die Cooling Days stehen schon seit Jahren für geballtes Know-How und sind für Entwickler und Gerätebauer elektronischer Bauelemente, Baugruppen und Systeme zum Pflichttermin geworden. Der Kongress bietet eine ideale Gelegenheit für das Networking unter den Teilnehmern und die Kontaktaufnahme zu den zahlreichen Experten aus Forschung und Industrie.

Welches Material zur thermischen Kontaktierung in der Applikation verwendet wird, richtet sich stets nach der Größe des zu überbrückenden Spaltmaßes zwischen den zu kontaktierenden Oberflächen sowie den weiteren Randparametern in der Gesamtanwendung. In Summe haben alle Wärmeleitmaterialien das primäre Ziel die Wärmeleitung zwischen einer thermischen Kontaktierung zu verbessern und die Wärmeübergangswiderstände zu minimieren.

Die Vorteile von TIM-Materialien

Neben der genannten Wärmeleitung besitzen die heutigen TIM-Materialien allerdings weitere nützliche Eigenschaften, wie einen großen Arbeitstemperaturbereich, eine gute Dehnbarkeit, sehr gute Werte in Punkto Durchgangswiderstand, Wärmekapazität und Durchschlagsfestigkeit sowie Brennbarkeitsklasse, um nur einige Parameter zu nennen.

Wie bereits gesagt, empfiehlt es sich zur Auswahl eines geeigneten Wärmeleitmaterials zunächst das zu überbrückende Spaltmaß der Kontaktpaarung zu ermitteln, da es wärmetechnisch keinen Sinn macht, geringe Distanzen mit einem dicken Wärmeleitmaterial oder umgekehrt auszugleichen.

Wärmeleitpasten eignen sich, getreu dem Motto weniger ist mehr, hervorragend für den Ausgleich von kleinen Zwischenräumen bis maximal 50 µm. Diese Art der Kontaktpaarung entsteht z.B. bei der Verbindung zwischen zwei planebenen Oberflächen, welche durch eine mechanische CNC-Nacharbeit hergestellt wurden.

PCM: Phasenwechsel-Materialien als Alternative

Neuere sogenannte Phasenverändernde Wärmeleitmaterialien (PCM – Phase Change Material) bieten dem Anwender eine sehr gute Alternative zu den altbekannten Wärmeleitpasten. PCM-Materialien werden oftmals als Plattenware, also in fester Form angeboten und verflüssigen sich erst unter den Einfluss bestimmter Phasen verändernder Temperaturen.

Wandert das Spaltmaß in Richtung 0,1 bis 0,4 mm, so sind diese Unebenheiten sehr gut durch die häufig eingesetzten Silikonfolien, auch als silikonfreie Ausführungen erhältlich, zu überbrücken. Silikonhaltige und silikonfreie Wärmeleitfolien liefern neben einer guten technischen Leistungsfähigkeit ein optimales Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Verarbeitbarkeit.

Darüber hinaus beinhaltet das Produktangebot verschiedenartige Materialtypen in Form von Plattenmaterial, Rollen-, Kappen- und Schlauchmaterial. Optional und je nach Kundenwusch werden die Wärmeleitfolien auch mit einer Glasfaserverstärkung oder einer Haftbeschichtung zwecks Montageerleichterung versehen. Zum Ausgleich innerhalb einer Kontaktpaarung, bei der das Spaltmaß die 0,4 mm übersteigt, sind kompressionsfähige Materialien sinnvoll und effizient einzusetzen.

Unter der Produktgruppenbezeichnung GEL-Folien befinden sich verschiedenartige Materialientypen mit unterschiedlichen Härtegraden zum Ausgleich von Bauteildifferenzen die in einem Bereich von 0,5 bis 8 mm liegen. GEL-Folien benötigen eine gewisse Kompression und können je nach Härtegrad bis zur Hälfte ihrer Materialstärke komprimiert werden, passen sich hierdurch optimal an die zu kontaktierende Oberfläche an. GEL-Folien bestehen gleichfalls aus silikonhaltigen oder silikonfreien Elastomeren und sind in unterschiedlichen Ausprägungen auf dem Markt erhältlich.

* Jürgen Harpain ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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