Thermisches Management in der Leistungselektronik Kühlkörper gezielt auswählen und Wärme effizient beherrschen

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Hohe Leistungsdichte auf engem Raum macht effektives Wärmemanagement zur zentralen Herausforderung. Mit passenden Lösungen zur Wärmeableitung lassen sich Zuverlässigkeit und Lebensdauer verbessern – entscheidend ist die richtige Auswahl.

Wird es Prozessoren, Leistungstransistoren oder LEDs zu heiß, kann es zu Leistungseinbußen, ebenso wie zu vorzeitigen Ausfällen durch anhaltenden thermischen Stress kommen. Darüber hinaus besteht die Gefahr von Sicherheitsrisiken durch eine Überhitzung in Hochleistungssystemen. Kühlkörper adressieren diese Herausforderungen, indem sie Wärme über Leitung, Konvektion und zu einem geringeren Teil über Strahlung an die Umgebung abgeben (Bild 1). Der Prozess beginnt damit, dass Wärme vom IC oder Transistor über direkte Berührung oder via Thermische Interface-Materialien (TIM) in die Grundplatte des Kühlkörpers geleitet wird. Von dort verteilt sich die Hitze in die Kühlkörperrippen, wo sie hauptsächlich über freie oder erzwungene Konvektion an die Luft abgegeben wird.

Die Leistung eines Kühlkörpers wird von Geometrie, Material, Position auf der Leiterplatte und Befestigungsmethode bestimmt. Zwar besteht ein Zusammenhang zwischen Oberfläche und thermischem Widerstand, dieser wird jedoch nicht allein durch die Oberfläche, sondern auch durch Bauform und Topologie beeinflusst. Der thermische Widerstand ist ein wichtiger Auswahlparameter, muss jedoch immer im Kontext weiterer Faktoren wie Befestigung, thermischem Kontakt, Design und verfügbarer Einbaufläche betrachtet werden. Zudem ist zu beachten, dass der thermische Widerstand lediglich einen Referenzwert darstellt und je nach Anwendung variieren kann.

Gestanzte oder extrudierte Kühlkörper?

Beim Wärmeübergang an die Umgebung sind sowohl die Luftkontaktfläche als auch die Topologie entscheidend. Daher unterteilt sich das Kühlkörper Portfolio von Würth Elektronik in zwei Hauptbereiche: Die WE-HIC-Serie ist für flache Bauteile wie ICs und andere SMT-Komponenten ausgelegt, während die WE-HTO Serie für bedrahtete TO-Gehäuse wie TO-220 und TO-247 entwickelt wurde. Gestanzte Aluminiumkühlkörper für TO-Transistoren verfolgen dabei einen anderen Ansatz: Leichtbau und einfache Konstruktion stehen hier im Vordergrund. Sie bestehen aus dünn gestanztem und gebogenem Aluminium mit flachen, weit auseinanderliegenden Rippen und geringer Grundplattendicke.

Zwar ist ihre Kühlleistung geringer als die extrudierter Kühlkörper, für Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme bieten sie jedoch ausreichend Kühlung bei sehr geringem Gewicht und niedrigen Kosten. Ihr einfaches Design ermöglicht zudem eine unkomplizierte Befestigung per Clip, Kleber oder Mechanik, während das flache Profil sie besonders für Anwendungen mit begrenztem Bauraum geeignet macht. Aufgrund der geringen thermischen Masse sind sie jedoch für leistungsstarke Anwendungen weniger geeignet. Tabelle 1 zeigt typische Einsatzbereiche.

Extrudierte, massive Kühlkörper zählen zu den verbreitetsten und kosteneffizientesten Lösungen im Thermomanagement. Sie entstehen, indem erhitztes Aluminium durch eine Matrize gepresst wird, wodurch Kühlkörper mit durchgehenden, parallel verlaufenden Rippen entstehen. Diese bieten ein gutes Verhältnis zwischen Oberfläche und mechanischer Stabilität. Man unterscheidet zwischen unidirektionalen Kühlkörpern für gerichtete Luftströme und bidirektionalen Varianten, die auch bei uneindeutiger Strömung geeignet sind.

Der Extrusionsprozess ermöglicht zweidimensionale Profilformen bei hoher Wärmeleitfähigkeit. Für IC-Gehäuse sind extrudierte Kühlkörper besonders effektiv, wenn sie mithilfe geeigneter Wärmeleitmaterialien direkt auf die wärmeerzeugenden Bauteile montiert werden. Das Verfahren erlaubt zudem eine kostengünstige Serienfertigung großer Stückzahlen, ist jedoch auf zweidimensionale Profilformen beschränkt. Die langen, durchgehenden Rippen begünstigen eine schnelle Wärmeabgabe durch natürliche Konvektion und eignen sich besonders für Anwendungen mit gleichmäßigem, gerichtetem Luftstrom (Bild 2). Dank ihrer Rippengeometrie können diese Kühlkörper Wärme auch bei undefiniertem Luftstrom aus verschiedenen Richtungen abführen (Bild 3). Einen Überblick hinsichtlich geeigneter Anwendungen und Einsatzgebiete gerippter Kühlkörper gibt Tabelle 2.

Bedeutung von TIM

Die Effizienz des Wärmemanagements steht und fällt mit der Wahl des passenden Thermal Interface Materials (TIM). Der kritische Engpass bei der Wärmeabfuhr ist nicht der Kühlkörper selbst ist, sondern der Kontakt zueinander: Auch wenn die Oberflächen von Chipgehäuse und Kühlkörper scheinbar glatt aussehen – bereits mikroskopische Rauheiten und Riefen führen zu Luftspalten, die wie thermische Isolatoren wirken und den Wärmeübergang stark verschlechtern.

Ein geeignetes TIM verbessert den Wärmefluss, indem es diese Unebenheiten ausgleicht und applikationsspezifische Anforderungen wie Oberflächenrauheit und Spaltmaß berücksichtigt. Würth Elektronik hält ein umfangreiches Portfolio an thermischen Interface-Materialien bereit.

Um Elektronikfertigern den aufwändigen Prozess des Aufbringens von TIM auf die Kühlkörper zu erleichtern, gibt es von Würth Elektronik mit den beiden Produktgruppen WE-HTOI- und WE-HICI bereits mit TIM vorkonfektionierte Kühlkörper, die eine optimale thermische Wärmeableitung bieten. Konkret kommen für die WE-HTOI-Kühlkörper die TIMs der Produktgruppe WE-TINS und für die Kühlkörper der WE-HICI-Serie die TIMs der WE-TTT-Produktreihe zum Einsatz (Bild 4).

Das passende Kühlkörper-Design

Hauptziel jeder Kühlkörperkonstruktion besteht darin, die Wärmeübertragung von einem heißen Bauteil an die umgebende Luft zu maximieren und somit die Temperaturen der Bauteile in einem funktionalen Bereich zu halten.

Dies wird hauptsächlich durch die folgende Formel bestimmt:

Q = h_conv ∙ A ∙ (T_source - T_ambient)

• Q = abgeführte Wärme in Watt

• h_conv = konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (10 W/m²K für natürliche Konvektion, 15 - 50 W/m²K für erzwungene Konvektion) [1]

• A = gesamte Oberfläche, die mit der Umgebungsluft in Kontakt steht

• T_source - T_ambient = Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle/Kühlkörper und Umgebungsluft

Um die abgeführte Leistung zu erhöhen, lässt sich die Oberfläche vergrößern. Jedoch wird dies dadurch begrenzt, wie gut die Grundplatte des Kühlkörpers die Wärme verteilen kann. Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient lässt sich ebenfalls erhöhen, indem von natürlicher auf erzwungene Konvektion umstellt wird.

Wie aus Bild 5 hervorgeht, gibt es aus Sicht der Konstruktion drei zusätzliche Eigenschaften, die die Leistung eines Kühlkörpers bestimmen:

• Grundplattendicke: Die Grundplatte dient dazu, die Wärme von der Wärmequelle auf alle Kühlrippen des Kühlkörpers zu verteilen. Eine dickere Grundplatte verbessert die Wärmeverteilung – aber mit Auswirkung auf Kosten und Gewicht. Für die meisten Anwendungen ist ein optimaler Wert von 3 mm empfehlenswert. Bei Anwendungen mit geringerer Verlustleistung lässt sich die Dicke auf 1 bis 2 mm reduzieren.

• Rippendicke: Dicke Rippen (> 1 mm) verbessern bei hohen Rippen die Wärmeübertragung von der Grundplatte an die Umgebung. Allerdings verringern sie die Anzahl der Rippen und die verfügbare Oberfläche pro Volumeneinheit. Sie eignen sich für Anwendungen mit natürlicher Konvektion. Dünne Rippen (<0,5 mm) maximieren zwar die Oberfläche, neigen jedoch unter mechanischer Belastung oder bei hohen Luftströmungen zu Schwingungen oder Verformungen.

• Rippenabstand: Der Rippenabstand bestimmt, wie die Luft durch den Kühlkörper strömt. Bei Anwendungen mit natürlicher Konvektion ermöglichen größere Abstände (> 5 mm) ein ungehindertes Aufsteigen der Luft zwischen den Rippen. Engere Abstände (2 bis 4 mm) maximieren die Oberfläche, erfordern aber einen höheren Luftdurchsatz.

Wie gutes Design-In gelingt

Wie also den richtigen Kühlkörper für eine Applikation auswählen?

Nehmen wir an, dass unser Ziel darin besteht, eine ausreichende Kühlung für einen IC bereitzustellen, der sich bei etwa 85 °C stabilisiert, und sich zwischen Wärmequelle und Kühlkörper ein Thermal Interface‑Material (TIM) befindet. Dadurch lässt sich eine Zieloberflächentemperatur von 80 °C sowie eine maximale Umgebungstemperatur von 40 °C definieren. Als erster Schritt gilt es zu ermitteln, welche minimale Wärmeübertragungsrate (W/K) der Kühlkörper ins System einbringen muss, um die Designziele erreichen zu können. Daraus lässt sich ableiten, wie groß der Kühlkörper sein muss und welche mechanischen Randbedingungen zu berücksichtigen sind.

Hilfreich ist es, die Konvektionsformel so umzuformen, so dass die durch das Design festgelegten Parameter sich von denjenigen trennen lassen, die verändert werden können:

Während 0,25 W/K die minimale Wärmeübertragungsrate an die Umgebung ist, gibt es mit der natürlichen und erzwungenen Konvention zwei mögliche Szenarien, um die Größe der Kühlkörperfläche zu ermitteln:

Natürliche Konvektion: h_conv ~ 10 W/m²K:

Erzwungene Konvektion: h_conv ~ 25 W/m²K

Für einen Kühlkörper, der unter Bedingungen der natürlichen Konvektion arbeitet, ist ein großer Abstand zwischen den Kühlrippen erforderlich. Bei einem Kühlkörper mit beispielsweise zehn Kühlrippen, die jeweils 20 mm hoch, 50 mm lang, 1 mm dick sind, sollte der Abstand zwischen den Rippen 5 mm zueinander betragen. Kommt der Kühlkörper hingegen in einer Umgebung mit erzwungener Konvektion zum Einsatz, ließe sich auf derselben Grundfläche eine größere Oberfläche erzielen, indem die Kühlrippen dünner ausgeführt und enger beieinander angeordnet sind.

Beispiel: Ein Kühlkörper mit 16 Kühlrippen, die 10 mm hoch, 50 mm lang, sollten demnach 0,5 mm dick und mit einem Abstand von 3 mm zueinander angeordnet sein. Beide Kühlkörper würden die notwendige Wärmeübertragungsrate liefern, um das vorgegebene Designziel zu erreichen. Abhängig davon, in welcher Umgebung das endgültige Design betrieben wird, ist es möglich, zwischen natürlicher oder erzwungener Konvektion zu wählen. Ist die Flächengröße berechnet, folgt als nächster Schritt die Berechnung des thermischen Widerstands eines Kühlkörpers.

Hilfreich hierfür ist folgende Formel:

Damit liegen alle notwendigen Informationen vor, um das thermische System zu bewerten und die Zielerreichung zu prüfen. Grundlage ist das in Bild 6 gezeigte thermische Widerstandsmodell.

Da 10 W eine große Verlustleistung darstellt, spielt die Auswahl des thermischen Interface‑Materials (TIM) eine entscheidende Rolle. Wie man das passsende TIM aussucht, wird beispielhaft mit dem wärmeleitfähigen Füllstoffpolster der WE‑TGF‑Serie von Würth Elektronik veranschaulicht. Um den thermischen Widerstand möglichst gering zu halten, wurde eine Variante ausgewählt, die über eine Wärmeleitfähigkeit von 3 W/mK verfügt und lediglich 0,5 mm dick ist. Dadurch ist eine Berechnung mittels nachfolgender Formel möglich:

Abschließend lässt sich bewerten, ob das System das Ziel einer Oberflächentemperatur von T_s = 80 °C erreicht:

Da es sich hierbei um ein vereinfachtes thermisches Modell handelt, das davon ausgeht, dass die gesamte Wärme vom Bauteil zum Kühlkörper fließt und ausschließlich über natürliche Konvektion – ohne Berücksichtigung von Strahlungsanteilen – an die Umgebung abgeführt wird, lässt sich annehmen, dass das Design für eine erste Abschätzung hinreichend konsistent ist. Gilt es jedoch, das System umfassender zu bewerten, sollte eine thermische Simulationssoftware zum Einsatz kommen, um komplexere Effekte realistisch zu modellieren.

Kühlkörper sicher montieren

Eine korrekte Installation eines Kühlkörpers ist entscheidend, um einen effizienten Wärmetransfer, mechanische Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit sicherzustellen. Worauf ist also zu achten? Zunächst sollte die Oberfläche des Bauteils und die Grundfläche des Kühlkörpers gereinigt werden, um sicherzustellen, dass sich weder Staub noch Fett in der Kontaktfläche befinden. Ein fusselfreies Tuch mit Isopropylalkohol ist dafür sehr gut geeignet. Anschließend wird das geeignete Wärmeleitmaterial – passend für den Spalt und die Kontaktflächen – auf die Wärmequelle aufgetragen, und der Kühlkörper aufgesetzt. Überaus wichtig ist hierbei, den Kühlkörper mit einer rollenden Bewegung aufzubringen, um sicherzustellen, dass keine größeren Luftblasen im Wärmeleitmaterial verbleiben.

Abhängig vom jeweiligen Einsatzbereich gibt es verschiedene Befestigungsmethoden, um abschließend den Kühlkörper korrekt zu montieren. So eignet sich die Schraubmontage für Hochstromanwendungen, die starken Vibrationen ausgesetzt sind, wohingegen thermische Klebebänder beispielsweise besonders gut für platzkritische Anwendungen geeignet sind. Darüber hinaus eignen sich die schnell montierbaren Federklemmen besonders für hohe Komponenten, die überdies extremen Vibrationen ausgesetzt sind. Die für hohen mechanischen Stress ausgelegten Push-Pins und die Thermo-Epoxids sind weitere gängige Befestigungsmethoden. (mr)

[1] Çengel, Yunis. A (2003). Heat Transfer: A Practical Approach. McGraw-Hill, 2nd edition, web chapter 15, page 68

* María Cuesta-Martín ist Product Manager, EMC Shielding & Thermal Materials bei Würth Elektronik eiSos, Marisa Robles ist Marketing & Communications Specialist bei Würth Elektronik eiSos, Sebastián Mirasol-Menacho ist Product Manager, EMC Shielding & Thermal Materials bei Würth Elektronik eiSos.

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