Wärmemanagement Gezielte Entwärmung mit Hochleistungskühlkörpern, Lüfteraggregaten und Flüssigkeitskühlung

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Fischer Elektronik GmbH & Co. KG

Bürklin GmbH & Co. KG

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Die Leistungsdichten der heutigen elektronischen Bauteile, nicht nur im Bereich der Leistungselektronik, steigen permanent bei gleichzeitiger Reduzierung der Bauteilgröße. Effiziente Entwärmungskonzepte werden kundenseitig gefordert, um die Elektronik in einem vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich zu betreiben.

Die angesprochene Leistungselektronik wird als Teilgebiet der Elektrotechnik gesehen und beschäftigt sich im Schwerpunkt mit der Wandlung, Steuerung und dem Schalten von elektrischer Energie. Die Energiezuführung findet dort statt, wo sie benötigt wird, so dass alle elektronischen Bauteile einer Funktionsbaugruppe mit der richtigen Spannung, Strom und Frequenz versorgt werden. Die zugeführte Energie wird allerdings aufgrund physikalischer Gegebenheiten nicht zu hundert Prozent umgewandelt, sondern aufgrund von Schaltverlusten auch in Wärme abgestrahlt. Diese Wärme gilt es durch auf die Bauteile abgestimmte Entwärmungslösungen zu eliminieren, da bekanntermaßen ein direkter Zusammenhang zwischen Temperaturstress und Lebensdauer von elektronischen Bauelementen besteht. Zu hohe Betriebstemperaturen der Bauteile führen unweigerlich zu Fehlfunktion in der Funktionsbaugruppe bis hin zur Zerstörung einzelner Halbleiter. Ein wirkungsvolles Wärmemanagement, besonders im Bereich der Leistungselektronik ist mehr denn je gefragt und gefordert. Der Primärenergieverbrauch an elektrischer Energie wird zukünftig durch Themen wie die Energiewende und auch die wachsende Digitalisierung deutlich steigen, wodurch gleichfalls die Leistungselektronik an Bedeutung gewinnt. Als Aufgabe gilt es Bauteile, wie z.B. Transistoren, Thyristoren, IGBT, SSR und MOSFETs, welche u.a. als AC/DC- und DC/DC-Wandler, Wechselrichter und in Schaltnetzteilen vorzufinden sind, effektvoll zu entwärmen.

Hochleistungskühlkörper

Leistungshalbleiter in den verschiedensten Anwendungen, können mittels Komponenten aus dem Hause Fischer Elektronik auf drei verschiedene Arten effektiv entwärmt werden. Hierfür stehen sogenannte Hochleistungskühlkörper, Hochleistungslüfteraggregate und Flüssigkeitskühlkörper zur Verfügung. Welche Art der Entwärmung zugrunde gelegt wird, ist stets von der jeweiligen Applikation, deren Einbaubedingungen und Leistungsdaten abhängig. Jede Methode für sich, ist bereits auf dem Markt etabliert und liefert eine effiziente Möglichkeit der Entwärmung.

Die genannten Hochleistungskühlkörper (Bild 1) sind oftmals dann einzusetzen, wenn die wohlbekannten Strangkühlkörper zur Bauteilentwärmung an ihre Leistungsgrenzen in Punkto Wärmeabfuhr stoßen. Innovativ umgesetzte Hochleistungskühlkörper sind besonders für die Abfuhr größerer Wärmemengen konzipiert und entwickelt worden. Des Weiteren unterscheiden sich Hochleistungskühlkörper durch ihren kompakten Aufbau in Verbindung voluminösen Abmessungen. Die höhere Wärmeaufnahme erfordert gleichfalls ein spezielles Kühlkörperdesign, welches allerdings aufgrund der Komplexität nicht als ein Stück im Strangpressverfahren hergestellt werden kann. Zu groß und zu schwer bedeutet einhergehend eine sehr große Werkzeugmatrize und eine sehr große Strangpresse mit hoher Presskraft. Aufgrund dessen und auch aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten sind Hochleistungskühlkörper zweiteilig aufgebaut und zusammengefügt. Die erste Komponente besteht aus einem U-förmigen Basisprofil mit einer massiven Bauteilmontagefläche, je nach Ausführung, mit einer Materialstärke von 15 bis 20 mm. Auf der inneren Bodenseite des Basisprofils befindet sich eine spezielle Einpressgeometrie, in welche als zweite Komponente verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen unverlierbar eingepresst werden. Der beschriebene Aufbau gewährleistet, je nach Rippenausführung, einen effizienten Einsatz für die freie als auch erzwungene Konvektion. Kühlkörperbreiten von 300 bis 750 mm stehen im Produktportfolio zur Verfügung, wobei die benötigte Kühlkörperlänge nach kundenspezifischen Vorgaben individuell seitens Fischer Elektronik zugeschnitten wird.

Die Bauteilmontage erfolgt auf der materialstarken Bodenfläche des Kühlkörpers. Die verwendeten Bodenplatten der Hochleistungskühlkörper, sorgen aufgrund ihrer Materialstärke für eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers. Darüber hinaus gewährleisten die massiven Bodenplatten, mittels angepasster Aufnahmegewinde, eine solide Befestigung der Leistungshalbleiter auf dem Hochleistungskühlkörper. Die optimale wärmetechnische Montage der Leistungshalbleiter wird allerdings oftmals aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung erschwert. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs, z. B. für große IGBT-Module, werden nach Herstellerangaben häufig Ebenheiten von < 0,02 mm gefordert, welche ohne jegliche mechanische Nacharbeit presstechnisch nicht herzustellen sind. Je nach Applikation und Einbaubedingungen, sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erreichen. Zur Vermeidung oder Optimierung von Wärmeübergangswiderständen zwischen dem Bauteil und Kühlkörper, bieten verschiedenartige Wärmeleitmaterialien hervorragende Lösungsmöglichkeiten.

Lüfteraggregate

Die Entwärmung leistungsstarker Bauteile mit Hilfe von luftunterstützenden Entwärmungskonzepten, den sogenannten Lüfteraggregaten (Bild 2), führt gegenüber der natürlichen Konvektion zu einer enormen Effizienzsteigerung. Lüfteraggregate bestehen aus einem umschlossenen Basisprofil aus Aluminium, vordem ein oder mehrere Lüftermotoren montiert werden. Der Einsatz leistungsstarker Axial- und Radiallüftermotoren mit Luftfördermengen bis zu 1.310 m³/h, liefert kleinste Wärmewiderstände im Bereich von 0,015 K/W. Der Produktbereich Lüfteraggregate ist in verschiedenen Rubriken und Leistungsklassen unterteilt, wobei als Gemeinsamkeit alle Ausführungen eine innenliegende umschlossene Wärmetauschstruktur in Rippenform besitzen, durch welche der mittels Lüftermotoren erzeugte Luftstrom geleitet wird.

Die verschiedenartigen Lüfteraggregate im Produktportfolio der Fischer Elektronik sind in ihrem Aufbau und Geometrie der Wärmetauschflächen, der inneren Struktur, jeweils auf den entsprechenden Lüftermotor und dessen Spezifika, wie z. B. dem Volumenstrom oder Staudruck, abgestimmt und angepasst. Je nach Ausführung bieten Lüfteraggregate einseitige oder doppelseitige Halbleitermontageflächen, welche gleichzeitig zu einer guten Wärmespreizung innerhalb der Lüfteraggregate führen und eine solide Bauteilbefestigung mittels eingebrachter Montagegewinde gewährleisten. Als echten Mehrwert für den Anwender zeichnen sich die verschiedenen Ausführungen der Lüfteraggregate durch exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen, strömungsoptimierte Hohlrippengeometrien und Lamellenstrukturen für geringe Strömungsverluste sowie durch den Einsatz qualitativ hochwertiger Lüftermotoren aus. Lüfteraggregate sind in der Leistungselektronik eine vielfach eingesetzte und erprobte Technik, womit die thermischen Belastungen elektronischer Bauteile oder einer kompletten Baugruppe, relativ problemlos und kostengünstig in den Griff zu bekommen sind.

Flüssigkeitskühlkörper

Die leistungsstärkste Produktgruppe zur Bauteilentwärmung beinhaltet verschiedenartige Flüssigkeitskühlkörper (Bild 3). Die Realisierung der verschiedenartigen Flüssigkeitskühlkörper ist durch unterschiedliche auf dem Markt zu findende Ausführungen gekennzeichnet, teilweise historisch bedingt, aber auch zum Teil von Preis-Leistungskriterien bestimmt. Die ersten Flüssigkeitskühler waren einfache, durchbohrte Platten aus Aluminium oder Kupfer in deren Bohrungen Schlauchstutzen eingeschraubt oder eingeschweißt waren. Die nächste Entwicklungsstufe bestand darin, dass Rohre aus Kupfer in die Bohrungen der Aluminiumplatten eingezogen bzw. eingepresst wurden, welches heute immer noch unter dem Namen „Cold Plate“ das dominierende System auf dem Markt darstellt. Nachteilig hierbei ist allerdings die nur punktuell stattfindende Entwärmung der aufgeschraubten Bauteile, welche lediglich in der Nähe der Rohrleitung effektiv stattfindet (Bild 4, oben).

Heutige sehr moderne und innovative Flüssigkeitskühlkörper sind weitaus effektiver gestaltet und aufgebaut. Flüssigkeitskühlkörper der Fischer Elektronik werden komplett aus einem sehr gut wärmeleitenden Aluminium gefertigt und als I- oder U-durchströmte Variante auf dem Markt angeboten. Neben den verschiedenartigen Anschlusstechnologien für die Schlauchanschlüsse, besitzen die Flüssigkeitskühlkörper als Besonderheit eine interne dreidimensionale Lamellenstruktur, welche löttechnisch wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden ist. Hierdurch wird des Weiteren ein sehr guter Wärmetransport vom Kühlelement in die durchströmende Flüssigkeit gewährleistet (Bild 4, unten). Die zueinander versetzte Geometrie sorgt für eine homogene und flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers bei sehr geringen Strömungsdruckverlusten.

Die Montage der elektronischen Bauteile auf dem Flüssigkeitskühlkörper erfolgt über exakt plangefräste Auflageflächen. Diese können gleichfalls nach kundenspezifischen Vorgaben in unterschiedlichen Materialstärken ausgeführt werden und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile ohne jegliche Beschränkungen oder störende Rohrleitungen. Die Standardausführungen gewährleisten einzubringende Gewindetiefen von maximal 7 mm, wobei je nach Applikation und gefordertem Auszugsmoment der Halbleiterhersteller, zusätzlich auch Heli Coil Einsätze ihre Anwendung finden. Zur Vermeidung der bekannten Lochfraßkorrosion, muss allerdings bei Flüssigkeitskühlkörpern komplett aus Aluminium, das Kühlmedium Wasser mit Korrosionsinhibitoren vermischt werden, um eine Auflösung des Materials zu vermeiden. Seitens der Hersteller wird hierzu ein Wasser/Glykol Gemisch von mindestens 60/40 empfohlen, in der Praxis sogar oftmals in einem Mischungsverhältnis von 50/50 angewendet. Die besondere Effektivität von Flüssigkeitskühlkörpern bei der Entwärmung lässt sich daran erkennen, dass die spezifische Wärmekapazität von Wasser etwa viermal höher ist als die von Luft. (mr)

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik

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