Elektronikkühlung Entwärmungskonzepte für hohe Verlustleistungen

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Die Leistungsdichten und Packungsdichten elektronischer Bauteile und Module steigen stetig. Das bringt eine steigende Wärmeentwicklung der Bauteile mit sich. Um der Bauteillebensdauer gerecht zu werden, sind effiziente Entwärmungskonzepte unabdingbar.

Die thermischen Belastungen von Halbleiterbauteilen sind – neben Vibration und Feuchtigkeit – eine der Haupteinflussgrößen auf die Funktion elektronischer Komponenten sowie Geräte. Trotz neuer physikalischer und schaltungstechnischer Konzeptionen der Leistungsbauteile ist das thermische Design nicht nur in der Leistungselektronik immer noch eine wirkliche Herausforderung.

In punkto Lebensdauererwartung führt ein unzureichendes thermisches Management zu vermeidbaren Ausfällen und Ärgerlichkeiten bei den Anwendern. Um thermische Überlastungen der Bauteile oder einer gesamten Baugruppe zu vermeiden, bedarf es daher angepasster und effektiver Entwärmungssysteme. Die den Leistungshalbleitern zugeführte Energie wird aufgrund physikalischer Gegebenheiten nicht zu 100% konvertiert, vielmehr werden die auftretenden Verluste hauptsächlich in Form von Wärme abgestrahlt.

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Bekanntermaßen besteht in der Physik ein direkter Zusammenhang zwischen Temperaturstress und Lebensdauer von elektronischen Bauelementen. Eine Überschreitung der in den Herstellerdatenblättern genannten maximalen Betriebstemperatur führt zu Fehlfunktionen, eine Überschreitung der zulässigen Grenztemperatur schlimmstenfalls zu einer Zerstörung des Halbleiters.

Zeitabhängige Temperaturbelastungen und große Wärmemengen der elektronischen Bauelemente sind speziell in der Leistungselektronik ein erheblicher Faktor für die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzeptes. So genannte Hochleistungskühlkörper, verschiedenartige Lüfteraggregate und Flüssigkeitskühlkörper stehen hierfür je nach Bauteilgröße und Leistungsklasse aus dem Hause Fischer Elektronik zur Verfügung.

Passive Entwärmungslösungen: Hochleistungskühlkörper

Großvolumige Hochleistungskühlkörper können je nach Rippengeometrie sowohl für die freie (Bild 1) als auch erzwungene Konvektion (Bild 2) eingesetzt werden. Die natürliche, freie Konvektion beschreibt in der Physik den Mechanismus des Wärmetransportes als das Mitführen von Teilchen, welche thermische Energie enthalten.

Aufgrund von Dichte- und Temperaturunterschieden zwischen der Luft sowie dem Kühlkörper entsteht ein sogenannter Konvektionsauftrieb, d. h., der Kühlkörper nimmt die am Halbleiter entstehende Wärme auf und leitet diese anschließend über die Rippengeometrie an die Umgebung ab. Speziell für dieses Wirkprinzip sind die Hochleistungskühlkörper mit einer besonderen Vollrippe ausgestattet.

Hochleistungskühlkörper für die freie Konvektion unterscheiden sich deutlich von den klassischen Strangkühlkörpern zur Bauteilentwärmung. Der Kühlkörperaufbau besteht aufgrund der Komplexität und der Schwierigkeit bei der Herstellung aus zwei Teilen. Der im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörperboden enthält eine spezielle Einpressgeometrie, in der wahlweise je nach Kundenapplikation und Wirkprinzip, verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen eingepresst werden.

Um den Wärmeübergangswiderstand bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft zu verbessern enthalten die Oberflächen der Voll- oder Hohlrippen kannelliert, wodurch eine Wirkungsgradverbesserung von ca. 10% gegenüber herkömmlichen Glattrippen erzielt wird. Die Kühlkörperbasis bzw. der -boden kann aufgrund der Abmessungen und der damit verbundenen Werkzeuggröße bis zu einer Breite von 750 mm in einem Stück strangpresstechnisch hergestellt werden. Des Weiteren fungiert der massive Kühlkörperboden als Halbleitermontagefläche und führt mit einer Materialstärke von 20 mm zu einer besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers.

Die Leistungshalbleiter werden solide und sicher durch angepasste Aufnahmegewinde auf dem Kühlkörperboden montiert. Grundsätzlich ist allerdings zu beachten, dass, je größer die Kühlkörper sind, desto größer die damit verbundenen Toleranzen ausfallen. Besonders bei der Halbleitermontage wird eine optimale wärmetechnische Kontaktierung oftmals aufgrund der Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung deutlich erschwert.

Je nach Breite der Hochleistungskühlkörper sind Durchbiegungen bis zu 3 mm gegeben, was definitiv zur fachgerechten Bauteilmontage eine mechanische CNC-Nachbearbeitung erfordert. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind mit einem innovativen Maschinenpark und geeigneter Fräswerkzeuge gut umzusetzen.

Luft hilft bei der Wärmeabfuhr

Gegenüber den Hochleistungskühlkörpern für die freie Konvektion lässt sich eine deutliche Leistungssteigerung in Punkto Wärmeabfuhr mit Hochleistungskühlkörpern für die erzwungene Konvektion (Bild 2) in Verbindung mit zusätzlichen Luftströmungen erreichen. Hierbei gestaltet sich allerdings die zielgerichtete Durchströmung der Hohlrippen mit Luft durch geeignete Vorkammersysteme in der Kundenapplikation oftmals als aufwendig.

Sogenannte Lüfteraggregate (Bild 3) liefern zur Wärmeabfuhr größerer thermischer Verlustleistungen gleichfalls effiziente Lösungsansätze. Verschiedenartige Lüfteraggregate sind nicht nur in der Leistungselektronik eine erprobte Entwärmungstechnik, sondern mittlerweile zur Bauteilentwärmung in vielen Bereichen der industriellen Elektronik anzutreffen.

Die innenliegende Wärmetauschstruktur der Lüfteraggregate besteht meistens aus kannelierten Hohlrippen, die in ihrem Aufbau und ihrer Geometrie auf die entsprechenden und vorgeschalteten Lüftermotoren sowie deren Leistungsdaten wie Luftgeschwindigkeit und -volumen abgestimmt sind. Die angesprochene Kannelierung der Hohlrippen bewirkt in Summe eine vergrößerte Oberfläche und infolgedessen eine Wirkungsgradverbesserung in Punkto Wärmeabfuhr.

Gegenüber einfachen Glattrippen verursacht die Kannelierung des Weiteren eine turbulentere Strömung im Rippentunnel, wodurch ebenso ein besserer Wärmeübergang von der Rippenstruktur zur vorbei strömenden Luft erzielt wird. Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz ergeben bei der Wärmeabfuhr sehr gute Leistungsverbesserungen, erfordern allerdings von den Lüftermotorenherstellern, leistungsstarke Lüfterkonzepte, die dem aufgrund der zunehmenden Turbulenz steigenden Staudruck, entgegenwirken.

Ein weiterer Vorteil von Hochleistungslüfteraggregaten ist je nach Ausführung durch einseitige und doppelseitige dicke Halbleitermontageflächen gegeben. Diese sorgen zum einen für eine gute Wärmespreizung innerhalb des Gesamtsystems und zum anderen für eine sichere und solide Befestigung der Leistungshalbleiter auf dem Lüfteraggregat mittels eingebrachter Aufnahmegewinde. In Summe liefern auf die Applikation angepasste Lüfteraggregate effiziente Lösungen als thermisches Management für verschiedenartige Leistungshalbleiter.

Geht die Luft aus, folgt das Wasser

Gelangen die zuvor genannten Entwärmungskonzepte an ihre Grenzen oder wird von Anfang an eine sehr performante Entwärmungslösung benötigt, sind Flüssigkeitskühlkörper (Aufmacherbild) unschlagbar. Auch gegenüber einem Hochleistungslüfteraggregat in Kombination mit einem Radiallüfter und Luftfördermengen von bis zu 1.400 m³/h liefern Flüssigkeitskühlkörper mehr als nur eine Alternative, zumal wenn in der Applikation das benötige große Volumen, der zur Verfügung stehende Einbauraum, das relative hohe Gewicht und die starke Geräuschentwicklung der aktiven Kühlung ein Ausschlusskriterium darstellt. Allein bei der Betrachtung der spezifischen Wärmekapazität des Wassers wird die Leistungsfähigkeit solcher Flüssigkeitskühlkörper sichtbar.

Diese ist circa 4-fach größer als die von Luft, wodurch sich die Flüssigkeitskühlung deutlich von anderen Entwärmungskonzepten differenziert. Diese Art der Entwärmung ist allerdings immer noch schwierig und wird von vielen Anwendern skeptisch betrachtet, obwohl die Problematik der Verträglichkeit von Elektronik und Wasser sicherlich aufgrund der hohen Verarbeitungsqualität kein Thema mehr darstellt. Spezielle Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, Arten der Kopplungssysteme als auch die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme sind zuverlässiger Stand der heutigen Technik.

Flüssigkeitskühlkörper gibt es als I- oder U-durchströmte Variante. I-durchströmt bedeutet, dass das Kühlmedium linear durch den Flüssigkeitskühlkörper verläuft. Bei den U-durchströmten Ausführungen, wird das Kühlmedium wie ein U innerhalb der Wärmetauschstruktur gelenkt.

Die Flüssigkeitskühlkörper werden aus einer hoch wärmeleitenden Aluminiumlegierung gefertigt, weshalb das Kühlmedium Wasser mit Korrosionsinhibitoren aufbereitet bzw. vermengt werden muss, um ein Auflösen des Materials (Lochfraßkorrosion) zu vermeiden. Empfohlen wird in der Anwendung ein Wasser/Glykol-Gemisch in der prozentualen Aufteilung von 50/50.

Als Besonderheit besitzen die Flüssigkeitskühlkörper eine innenliegende, dreidimensionale Wärmetauschstruktur, d.h., einzelne Lamellen, welche zueinander versetzt angeordnet sind. Die einzelnen Lamellen werden bei der Herstellung in den Basiskühlkörper eingelegt und final verlötet, so dass die Basis- und Bauteilmontageplatte wärmeleitend mit der innenliegenden Lamellenstruktur kontaktiert wird. Hierdurch wird ein optimaler Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit gewährleistet.

Des Weiteren verursacht diese Art der Wärmetauschstruktur eine homogene (flächige) Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers bei minimalen Strömungsverlusten. Die zur Montage der Leistungshalbleiter und Module exakt plan gefräste, dicke Befestigungsplatte erlaubt darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile ohne eine Beschränkung durch eventuelle störende Rohrleitungen. (kr)

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* Dipl.-Phys.Ing. Jürgen Harpain ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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