EP Basics Grundlagen des Wärmemanagements für elektronische Systeme

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Übermäßige Wärme über einen längeren Zeitraum verkürzt die Lebensdauer der Bauelemente und beeinträchtigt die Zuverlässigkeit des gesamten Systems. Deswegen ist das Wärmemanagement immens wichtig. Folgende Grundlagen müssen Sie verinnerlichen.

Bei jedem Bauelement, das sich erhitzt, sinkt seine Zuverlässigkeit und die der umgebenden Komponenten. Die erzeugte Wärme kann auch zu einer Verformung der Leiterplatte führen und damit die Integrität der Verbindungen zu anderen Komponenten beeinträchtigen und die Leiterbahnwiderstände beeinflussen. In der Regel trägt die Abwärme von Netzteilen und Leistungsverstärkern (Audio- oder Hochfrequenz) maßgeblich zur Erwärmung bei, aber auch moderne Systems-on-Chip (SoCs), Leistungsumwandlungsmodule und leistungsstarke Mikroprozessoren können erhebliche Wärme erzeugen.

In diesem Beitrag untersuche ich mögliche Wärmequellen in einer Elektronik-Applikation und stellen verschiedene Methoden des Wärmemanagements vor.

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Wärmemanagement: Erste Überlegungen

Das Wärmemanagement ist ein wichtiger Aspekt des Elektronikdesigns, da es dazu beiträgt, die Temperatur elektronischer Geräte zu regulieren und Schäden durch Überhitzung zu vermeiden. Einige elektronische Bauelemente erzeugen beim normalen Betrieb Wärme. Wird diese Wärme nicht hinreichend abgeleitet, kann sie die Gesamtlebensdauer der Bauelemente verkürzen oder dauerhafte Schäden verursachen.

Ziel des Wärmemanagements ist es, sichere Betriebstemperaturen für elektronische Bauelemente aufrechtzuerhalten und ihre langfristige Zuverlässigkeit und Leistung zu gewährleisten. Die erzeugte Wärme stellt einen Energieverlust dar und deutet auf einen schlechteren energetischen Wirkungsgrad hin. Für die Wärmeableitung gibt es verschiedene Möglichkeiten, von der forcierten Luftkühlung durch einen Lüfter bis hin zur Konvektion der Wärme durch einen Kühlkörper.

Bei den Überlegungen zum Wärmemanagement ist es von wichtig, den sicheren Betriebstemperaturbereich für alle Bauelemente des Designs zu kennen. Diese Informationen sind in der Regel in Datenblättern enthalten. Sie geben einen Bereich zwischen unterer und oberer Temperaturgrenze an, der oft als sicherer Betriebsbereich (Safe Operating Area, SOA) bezeichnet wird.

Der SOA definiert den Bereich, in dem das Bauelement zuverlässig arbeitet, ohne dass es zu unvorhersehbarem Verhalten oder vorzeitiger Alterung kommt. Auch die Umgebungstemperatur, in der die Schaltung regelmäßig betrieben wird, spielt eine wichtige Rolle.

Hotspots: Welche Wärmequellen gibt es?

Die folgenden Applikationen und Bauelemente können leicht unerwünschte Wärme erzeugen:

Leistungsumwandlung: Netzteile, die Netzwechselspannung in niedrigere Gleichspannungen umwandeln, haben immer gewisse Verluste. Der Wirkungsgrad eines Netzteils variiert typischerweise abhängig von den Lastbedingungen und der Wandlertopologie. Das Schaltnetzteil ASB160 von XP Power mit einer AC/DC-Leistung von 160 W hat beispielsweise einen maximalen Wirkungsgrad von 91 bis 93 % bei Volllast. Diese Wirkungsgradangabe bedeutet, dass bis zu 9 % der 160 W Netzeingangsenergie (d. h. 14,4 W) abgeführt werden müssen. Zu den wahrscheinlichen Wärmequellen in einem Netzteil gehören Schalt-MOSFETs, Dioden und Induktivitäten.

Motorantriebe: Die MOSFETs der Gate-Treiber-Schaltungen von Hochleistungs-Industriemotoren können erhebliche Verlustwärme erzeugen. Die Endstufe von Halbleitern oder integrierten Modulen ist in der Regel die primäre Wärmequelle. Daher werden Kühlkörper und weitere thermische Bauelemente benötigt. Auch wenn der interne Serienwiderstand beim Betrieb eines MOSFETs oder eines anderen leistungsfähigen Halbleiters relativ gering ist, kann die erzeugte Wärme bei Applikationen mit hohen Strömen und hohen Spannungen beträchtlich sein.

Eigenerwärmung passiver Bauelemente: Die Eigenerwärmung von passiven Bauelementen wie Kondensatoren, Widerständen und Induktivitäten ist hinlänglich bekannt. Die Energieverluste für jedes einzelne Bauelement sind zwar relativ gering, aber diese Bauelemente werden in großer Zahl verwendet und stellen daher eine bedeutende Wärmequelle dar.

Verstärkung: Jede auf Halbleitern oder Modulen basierende Verstärkerschaltung erzeugt eine gewisse Wärmemenge. Audio- und HF-Verstärker sind typische Beispiele. Der Wirkungsgrad und die Eingangsleistung des Verstärkers bestimmen die maximale Wärme, die abgeführt werden muss. Einige Verstärker-Topologien sind effizienter, daher ist es wichtig, die mögliche Spitzenleistung und den Wirkungsgrad des Verstärkers für alle Anwendungsfälle zu kennen.

Leiterbahnen und Verbindungen auf Leiterplatten: Die Impendanz von Leiterbahnen auf der Leiterplatte kann bei Lastspitzen Wärme erzeugen. Die Breite und das Layout der Leiterbahnen sollten daher für die maximalen Betriebsbedingungen berechnet werden; andernfalls besteht die Gefahr von lokaler Erwärmung, Verformung und Verbrennung. Ebenso kann eine langfristige übermäßige Belastung von Verbindungen auf der Leiterplatte zu Wärmeentwicklung an den Steckverbindern führen, was Schäden und möglicherweise Verbrennungen zur Folge haben kann.

Neben der Überprüfung der Datenblätter der Bauelemente auf ihre sicheren Betriebstemperaturen und der Kenntnis der Parameter der Schaltungen kann eine Wärmebildkamera (Bild 1) ein genaues Bild der wichtigsten wärmeerzeugenden Bauelemente liefern.

Der Einfluss von Wärme auf die Zuverlässigkeit von Bauelementen

Eine hohe Wärmebelastung kann sich erheblich auf die Zuverlässigkeit der Bauelemente auswirken. Bild 2 zeigt die voraussichtliche Zuverlässigkeit von mehrschichtigen Keramikkondensatoren (MLCCs) bei 85 und 105 °C. Bei einem Betrieb bei 50 °C hat ein MLCC mit einer Temperatur von 85 °C beispielsweise eine Lebensdauer von 40 Jahren. Sie sinkt auf nur zehn Jahre, wenn die durchschnittliche Betriebstemperatur um zehn Grad auf 60 °C ansteigt.

Die Zuverlässigkeit eines Systems wird als mittlere Zeit zwischen zwei Ausfällen („Mean Time Between Failure“, MTBF) angegeben und anhand der Zuverlässigkeitsparameter der Bauelemente berechnet. Jeder Anstieg der durchschnittlichen Betriebstemperatur aufgrund von Überhitzung führt zu einer Verringerung der MTBF des betreffenden Bauelements.

Außerdem kommt es bei vielen Halbleiterbauelementen und -batterien zu einem thermischen Durchbruch. Bei dieser Kettenreaktion nimmt der Stromfluss aufgrund von Temperaturerhöhungen zu, was zu einer Aufwärtsspirale führt, die zu Ausfällen von Bauelementen, Systemüberlastungen und Bränden führen kann.

Strategien für das Wärmemanagement

Wärme kann auf verschiedene Arten abgeleitet werden, z. B. durch Konduktion und Konvektion. Konduktion ist die Übertragung von Wärme (thermischer Energie) von einem Objekt auf ein anderes. Durch die Übertragung von thermischer Energie von einem heißen Bauelement auf ein kühleres Objekt wird die Temperatur des Bauelements gesenkt. Die Konduktion ist die effektivste Methode der Wärmeübertragung, da sie die kleinste Fläche benötigt.

Bei der Strömungskühlung wird einem Objekt durch einen sich bewegenden Luftstrom Wärme entzogen, die dann an die Umgebungsluft abgegeben wird. Beim Abführen der Wärme durch die Luft wird Luft angesaugt, wodurch sich der Luftstrom erhöht und die Temperatur der Wärmequelle sinkt. Der Luftstrom kann auf natürliche Weise zustande kommen oder erzwungen werden. Das Abführen der Wärme wird beispielsweise durch den Einsatz eines Lüfters beschleunigt. Kühlkörper vergrößern zudem die effektive Fläche eines Bauelements, was die Abführung der Wärme verbessert.

Wärmewiderstand und Materialien für Wärmeschnittstellen

Der Wärmewiderstand ist ein Maß für die Leitfähigkeit eines Materials und ein wichtiger Parameter bei der Bewertung von Berechnungen zum Wärmemanagement. So verbessern beispielsweise Wärmeschnittstellen-Materialien (TIMs) wie Pads, Gele und Pasten die Wärmeleitfähigkeit bei einem Leistungs-MOSFET. Einige dieser Materialien sind leitfähig, sorgen aber für eine galvanische Isolation. Würth Elektronik bietet eine große Auswahl von TIM an (Bild 3).

Ein Beispiel hierfür ist die Baureihe WE-TINS. Dabei handelt es sich um dünne Silikonpads, die für die elektrische Isolation elektronischer Bauelemente und Baugruppen zur Kühlung entwickelt wurden und gleichzeitig einen Wärmefluss ermöglichen. So enthält das Pad WE-TGFG eine auf einen Schaumstoffkern aufgebrachte Graphitschicht, die eine hoch leitfähige, silikonfreie Wärmeverteilungsalternative zum Füllen vertikaler Hohlräume bietet.

Auch Panasonic bietet Lösungen für das Wärmemanagement an, beispielsweise die Graphitpads EYG-R. Diese Pads sind einfach zu installieren und zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und einen geringen Wärmewiderstand aus, da eine Seite eine glattere Oberfläche aufweist, die für einen besseren thermischen Kontakt sorgt. Die Graphitpads lassen sich gut komprimieren und füllen die Hohlräume zwischen den Bauelementen für eine bessere Wärmeübertragung effektiv aus.

Elektronikkühlung: Kühlkörper, Lüfter und Peltier-Module

Kühlkörper: Kühlkörper sind in allen Formen und Größen erhältlich. Viele sind für spezielle Leistungshalbleiter und IC/SoC-Gehäuse konzipiert. Andere eignen sich für Standard-Module wie die Kühlkörper der Baureihe ATS maxiFLOW von Advanced Thermal Solutions Inc. für DC/DC-Wandler-Module in Full-Brick-Baugröße.

Auch CUI Devices führt eine große Auswahl von Kühlkörpern für Halbleitergehäuse und -module. Als Hilfestellung bei der Auswahl bietet CUI einen Leitfaden zur Auswahl von Kühlkörpern an.

Lüfter: Lüfter werden eingesetzt, um einen erzwungenen Luftstrom über Leiterplatten und Kühlkörper zu erzeugen. CUI Devices bietet unter anderem DC-Radiallüfter mit variabler Drehzahl und DC-Axiallüfter an, die beide mit dem omniCOOL-Lagersystem ausgestattet sind.

Peltier-Module: Ein thermoelektrisches Peltier-Modul kann Halbleiter und andere kleine Bauelemente mit Wärmequellen kühlen und eignet sich besonders für Gehäuse mit begrenztem Platzangebot. Der Peltier-Effekt wurde von Jean Peltier entdeckt und ist die Umkehrung des Seebeck-Effekts. Fließt Strom durch zwei unterschiedlich leitfähige Materialien, entsteht zwischen ihnen eine Temperaturdifferenz bzw. bei einer Temperaturdifferenz ein Stromfluss (Seebeck-Effekt).

Diese kompakten Module, die typischerweise aus P- und N-Halbleitern bestehen, bieten eine effektive Wärmeübertragung von der Quelle zum Kühlkörper ohne bewegliche Teile.

Bild 4 zeigt den Fluss der thermischen Energie zwischen einer Quelle und einem Kühlkörper. CUI Devices bietet eine Reihe von Standard- und Mikro-Peltier-Modulen an, die mit Temperaturgradienten von bis 77 °C arbeiten können.

Fazit: Wärme kann in modernen, platzkritischen elektronischen Systemen erhebliche Probleme verursachen. Die Kühlung von Wärmequellen verlängert die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Applikationen. In diesem Beitrag habe ich einige Wärmequellen und empfohlene Methoden zur Abführung dieser, unerwünschten, thermischen Energie vorgestellt. (kr)

* Mark Patrick ist Director of Technical Content for EMEA bei Mouser Electronics.

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