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ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Mit geringem Aufwand so genau wie nötig voraus berechnet

6SigmaET von Alpha-Numerics ist eine Software, mit der ein Wärmekonzept mit möglichst geringem Aufwand, aber trotzdem so genau wie nötig voraus berechnet werden kann (Bild 1). Sie wurde wie bereits erwähnt am ersten Cooling Day ausführlich und am zweiten Tag in Kurzform vor erweitertem Publikum vorgestellt.

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Die auf +-5…10% genaue Software verwendet robuste und stabile Algorithmen, die mit möglichst wenig Speicher- und Rechenzeitbedarf auskommen.

Die angewendete numerische Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) ist eine etablierte Methode der Strömungsmechanik. Von der geometrischen Seite her kann der Benutzer durch die gelieferten objektorientierten Modellierungsmöglichkeiten sofort mit Konzeptstudien beginnen und mit einem Modell, das die erforderlichen Wärmequellen und Luftführungen beinhalted, eine qualitative und quantitative Temperaturvorhersage machen.

Die mitgelieferten Konstruktionsmöglichkeiten reichen aus, um Gehäuse, Boards, Bauteile, Lüfter, Lochbleche und Kühlkörper zusammen mit ihren physikalischen Eigenschaften zu erzeugen. Zusätzlich kann man mechanische CAD Komponenten 1-zu-1 in das Rechenmodell importieren. Der Import von Board-Daten aus einem E-CAD-System erfolgt dann via IDF.

Das Wärmemanagement auf der Leiterplatte

Das Thema von Jürgen Harpain von Fischer Elektronik waren Auswahlkriterien für Kühlkörper zur freien Konvektion. Eingangs ging J. Harpain auf die mit dem Wärmemanagement zusammenhängenden Größen ein. Der thermische Widerstand ist ein Widerstand gegen den Wärmefluss in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Dieser ist abhängig von:

• den Materialeigenschaften

• der Materialstärke = Länge des Wärmeweges

• der Oberflächengröße

• den Temperaturverhältnissen.

Der thermische Widerstand ist ein Widerstand gegen den Wärmefluss in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen. Dieser ist abhängig von:

• den Materialeigenschaften

• der Materialstärke = Länge des Wärmeweges

• der Oberflächengröße

• den Temperaturverhältnissen

Die drei Arten der Wärmeübertragung sind:

• Konduktion bzw. Wärmeleitung (Molekülbewegung innerhalb eines Systems, eingeschwungen / transient / zeitabhängig)

• Konvektion (Dichteunterschiede in fluiden Medien, Schwerkraft abhängig, natürlich und erzwungen)

• Wärmestrahlung bzw. Radiation (temperaturabhängige räumliche Änderung geladener Teilchen, die Strahlung ist bis 60° zu vernachlässigen)

Bei der Charakterisierung der benötigten Ausführung eines Kühlkörpers sind zu beachten:

• Temperaturdifferenz Kühlkörper zur Umgebung

• Abzuleitende Verlustwärme

• Auswahl basiert auf der kalkulierten, thermischen Ausführung, unter Berücksichtigung des Bauteiles und dessen Größe, und dem für den Kühlkörper zur Verfügung stehenden Raum.

Da sich der Vortrag auf natürliche Konvektion konzentrierte, ging der Vortrag auf folgende Kriterien ein. Auf Optimierungen bei:

• Positionierung der Halbleiter

• Kühlkörperbreite und -länge ( z.B. Kühlkörperlänge an die Bauteilgröße) Anpassen, evtl. die Wärme spreizen (Einsatz von Kupfer)

• Rippenabstand (Bypass Effekt durch zusammenwachsen der Grenzschichten außerdem ist die Dicke der Grenzschicht abhängig von der Reynoldszahl (Grenzschichtgleichungen)

• Rippenhöhe der Kühlkörper (Rippenwirkungsgrad nach Wutz, außerdem spielt das Verhältnis von Rippenhöhe vs. Rippendicke eine Rolle)

• und deren Einbaulage.

Auch sind die fertigungstechnischen Besonderheiten zu beachten, so haben z.B. rechteckige Rippen (Bild 6) einige Vorteile bei freier Konvektion und führen gleichzeitig zu höhere Werkzeuglebensdauer bei der Herstellung.

Abschließend ging J. Harpain auf die Frage ein: Warum Wärmeleitmaterial einzusetzen ist? Bei der Kontaktierung von zwei flachen Oberflächen miteinander, z. B. Transistor und Kühlkörper, ist die effektive Kontaktfläche nur 2 bis 5 Prozent (Bild 7). Die restliche Fläche ist ein Luftpolster. Luft ist jedoch der schlechteste Wärmeleiter überhaupt und behindert den Wärmetransport ganz erheblich. Mehr war dazu nicht zu sagen.

Bert Heinz von Würth Elektronik ging in seinem Vortrag auf IMS, Thermo-Vias, Microvias, Cu-Inlay und HSMtec/Wirelaid und Flüssigkeitskühlung ein, zeigte aber als Besonderheit des Wärmemanagements geklebte Heatsinks, die aus Aluminium oder Kupfer sind. Deren Herstellung erfolgt durch Stanzen, Lasern oder Fräsen als Einzel-LP oder im Nutzen (Bild 8).

Die Transfer-Klebefolien sorgen für eine gute thermomechanische Entkopplung, dabei kommen verschiedene Klebertypen zum Einsatz die sich je nach Anforderung in Dicke, Wärmeleitfähigkeit, Spannungsfestigkeit und Temperaturbeständigkeit unterscheiden. Wichtig dabei ist blasenfreies Verkleben unter Vakuum. Geklebte Heatsinks sind kombinierbar mit allen Leiterplatten- Technologien, auch mit der Microvia-Technik.

Bei geklebten Heatsinks ist eine Betrachtung des thermischen Gesamtsystem wichtig, die kann durch Überschlagsrechnungen, Simulation oder Messungen erfolgen. Auch sind angepasste Lötprozesse notwendig. Zu beachten ist bei dieser Technik auch, dass es zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit große Unterschiede gibt, Abhängigkeit z.B. von Komplexität der Verdrahtung. Außerdem muss die Lösung serientauglich sein.

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