Thermisches Management in der Leistungselektronik Mehr Leistung, mehr Entwärmung

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Auch in elektronischen Leistungshalbleitern entsteht in Analogie zu anderen elektronischen Bauteilen eine für die Lebensdauer schädliche Verlustwärme, welche nur deutlich höher ausfällt. Effektive Entwärmungsmethoden für Leistungshalbleiter sind daher mehr denn je gefragt und gefordert.

Ein hohes Wärmeaufkommen sowie zeitabhängige Temperaturbelastungen elektronischer Leistungshalbleiter, spiegeln einen erheblichen Faktor für die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzeptes wider. Mehr Leistung in Verbindung mit kompakteren Packungsdichten bedeuten einhergehend ein steigendes Wärmeaufkommen am Bauteil, welches es anwenderseitig in den Griff zu bekommen gilt. Trotz stetiger Weiterentwicklungen im Bereich neuer physikalischer und schaltungstechnischer Konzeptionen der Leistungshalbleiter, ist das thermische Design, nicht nur im Bereich der Leistungselektronik, bezogen auf die jeweiligen Applikationsbedingungen immer noch eine wirkliche Herausforderung. Im Allgemeinen wird unter dem Begriff Leistungselektronik all das hinzugeordnet, was im Wesentlichen mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Ursprünglich entstand dieser Teilbereich der Elektrotechnik im 19 Jahrhundert mit der Entwicklung und Herstellung des ersten Gleichrichters, wobei Gleichrichter nicht nur in der Leistungselektronik zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom verwendet werden. Je nach Anwendungsgebiet und Kundenanforderung, reichen die auftretenden Ströme und Spannungen von einigen Milliampere und wenigen Volt bis hin zu einigen Kiloampere und -volt. Bei der Betrachtung der Bauteileffizienz und dem daraus resultierendem Wirkungsgrad sowie der Bauteillebensdauer, macht ein wirkungsvolles thermisches Management unabdingbar. Die vom Bauteilehersteller gemäß Datenblatt vorgegebenen Betriebstemperaturen sind zu kontrollieren, da ansonsten Funktionsausfälle oder sogar eine Zerstörung des Halbleiters vorprogrammiert sind. Effektive Entwärmungskomponenten, für unterschiedliche Bauteilgrößen und Leistungsklassen, in Form von passiven, aktiven oder flüssigkeitsgekühlten Lösungen aus dem Hause Fischer Elektronik, schaffen Abhilfe und sind in Punkto Lebensdauerverlängerung sinnvoll einzusetzen.

Großvolumige Hochleistungskühlkörper

Die Nutzung der bereits genannten klassischen Strangkühlkörper (Bild 1) für vielzählige Entwärmungsaufgaben, ist weit verbreitet und ebenfalls empfohlen. Der limitierende Faktor liegt allerdings in der maximalen Wärmekapazität des einzelnen Kühlköpers begründet, d.h. für die Abfuhr größerer Wärmemengen ist die Oberfläche des Kühlköpers nicht ausreichend, um die Wärmemenge in der Gesamtheit aufzunehmen und an die Umgebung abzugeben. Besonders für die Wärmeableitung hoher Verlustleistungen bei freier Konvektion, sind die so genannten Hochleistungskühlkörper (Bild 2) entwickelt und konzipiert worden, welche in Summe die leistungsfähigsten Kühlkörperausführungen in der Rubrik der Kühlkörper darstellen.

Hochleistungskühlkörper funktionieren je nach Rippengeometrie sowohl bei freier als auch erzwungener Konvektion und finden in vielzähligen technischen Applikationen zur Entwärmung von Leistungselektronik ihren Einsatz. Hochleistungskühlkörper sind in ihrem Aufbau sehr komplex, aufgrund der geometrischen Abmessungen nicht einfach herzustellen, dafür aber äußerst effizient einzusetzen. Hochleistungskühlkörper sind aufgrund der genannten Abmessungen und ihres Aufbaus von der Performance deutlich von den klassischen Strangkühlkörpern abzugrenzen, können allerdings nicht in einem Stück als Strangpressprofil umgesetzt werden. Zur Herstellung solcher Hochleistungskühlkörper stehen zwei verschiedene Herstellungsverfahren zur Verfügung.

Die erste Möglichkeit diese Art der Kühlkörper herzustellen, besteht aus einer 2-teiligen Lösung. Hierzu wird das U-förmige Grundprofil, ohne jegliche Rippen, im Strangpressverfahren hergestellt. Als Besonderheit besitzt das Basisprofil in der Innenseite eine speziell entwickelte Einpressgeometrie, in der wahlweise, je nach Kühlkörperdesign, verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen eingepresst werden. Die jeweiligen Rippenkonturen sind ebenfalls im Strangpressverfahren hergestellt und werden in einem weiteren Arbeitsschritt formschlüssig sowie unverlierbar in dem Basisprofil verpresst. Die zweite Herstellungsmöglichkeit ist durch ein besonders Reibrührschweißverfahren, dem so genannten Friction-Stir-Welding (FSW), gegeben. Hierzu werden die jeweiligen Kühlkörper in kleineren Breiten komplett aus einem Stück hergestellt und im Anschluss miteinander verschweißt. Im kalten Zustand werden die einzeln gepressten Hochleistungskühlkörper, nur mit deren Eigenmasse plastisch miteinander verbunden, wodurch letztendlich Kühlkörperbreiten bis maximal 900mm zu erreichen sind. Des Weiteren sind Hochleistungskühlkörper mit einer sehr Materialstarken Bodenplatte ausgestattet, die zum einen als Halbleitermontagefläche fungiert und zum anderen zu einer deutlich besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers führt. Die jeweiligen Halbleitermontageflächen der Hochleistungskühlkörper sind je nach Ausführung 15 bis 20mm dick, bieten dem Anwender genügend Spielraum für eine sichere und feste Bauteilmontage mit vernünftigen, nach der Spezifikation vorgegebenen Drehmomenten gemäß den verschiedenartigen eingebrachten Gewindetypen. Ein weiteres wirkungsvolles Highlight ist durch die gewellte Oberflächenkannelierung der zu verpressenden Voll- und Hohlrippen gegeben (Bild 3). Aufgrund der Oberflächenstruktur wird eine Verbesserung des Wärmeübergangswiderstandes bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft, mit einer Wirkungsgradverbesserung von ca. 10% gegenüber herkömmlichen Glattrippen, erzielt.

Mechanische Anpassungen sind notwendig

Die Befestigung der Leistungshalbleiter auf einem Hochleistungskühlkörper, setzt im Vorfeld eine genaue Betrachtung der durch die Herstellung auftretenden Toleranzen voraus. Die Montage bzw. eine solide Befestigung der einzelnen Leistungshalbleiter auf dem Kühlkörperboden ist zwar durch angepasste Aufnahmegewinde gegeben, nur wird eine optimale wärmetechnische Kontaktierung oftmals aufgrund der Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung deutlich erschwert. Je nach Applikation und Einbaubedingungen, sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Allgemeingültig bleibt festzuhalten, dass je größer ein Hochleistungskühlkörper von den Abmessungen ausfällt, desto schwieriger ist dieser in der Herstellung und desto größer fallen die zu erwartenden Toleranzen aus.

Die erwähnten herstellungsbedingten Toleranzen treten bei sämtlichen geometrischen Soll-Maßen auf, sowohl auch in Form von Durchbiegungen in Querrichtung sowie einer Torsion in Längsrichtung. Die genaue Betrachtung und Berücksichtigung der entstehenden Toleranzfelder ist enorm wichtig für eine fachgerechte Bauteilmontage auf dem Hochleistungskühlkörper. Als Beispiel sei hierzu ein Hochleistungskühlkörper mit einer Breitenabmessung von 750mm und einer Gesamtrippenhöhe von 83,5mm inklusive einer Bodenstärke von 20mm zu nennen. Dieser darf laut Fertigungszeichnung eine Winkelabweichung der Rippen zueinander von bis zu 3mm aufweisen. Die Abweichung der Ebenheit für den Kühlkörperboden, also der Halbleitermontagefläche, wird in der DIN-Norm als Hüllkurve angegeben und darf eine max. Abweichung von 3,6mm (konvex/konkav) haben. Somit ist relativ einfach ersichtlich, dass z. B. für große IGBT die oftmals nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von < 0,02mm, ohne eine mechanische Nacharbeit nicht zu erreichen sind. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte sowie Qualität in Hinblick auf Eben- und Rauheit für eine fachgerechte Bauteilmontage, sind mit einem innovativen Maschinenpark und angepasster Fräswerkzeuge gut zu erreichen und umzusetzen.

Die Luft liefert Performance

Etliche Anwendungen in der Leistungselektronik erfordern oftmals die Wärmeabfuhr hoch größerer Verlustleistungen, bei denen auch Hochleistungskühlkörper an ihre Grenzen stoßen. In Anhängigkeit der Applikation können auch das damit verbundene große Volumen oder das hohe Gewicht eines Hochleistungskühlkörpers ein Ausschlusskriterium darstellen. Gelangen Anwender an diesen besagten Punkt, dann liefert das Medium Luft in Form von sogenannten Lüfteraggregaten (Bild 4), eine effiziente Möglichkeit der Wärmeabfuhr. Eine deutliche Leistungssteigerung in der Wärmeableitung, wird durch die Verbindung von Aluminiumbasisprofilen und zusätzlichen Lüftermotoren erzielt.

Die sehr effektiven Lüfteraggregate basieren auf dem Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion,

d. h. durch die davor gestalteten Lüftermotoren wird eine starke Luftbewegung in gerichteter Form durch die innenliegende Wärmetauschstruktur geleitet. Die innenliegende Wärmetauschstruktur der Lüfteraggregate besteht meistens aus Hohlrippen, die in ihrem Aufbau und ihrer Geometrie, jeweils auf die entsprechenden Lüftermotoren und deren Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit und

-volumen, abgestimmt sind. Als Besonderheit besitzen die genannten Hohlrippen, ähnlich wie bei den Hochleistungskühlkörpern, eine kannelierte Oberflächenstruktur, wodurch eine vergrößerte Oberfläche zur Wärmeaufnahme erreicht wird. Die bei einfachen Glattrippen zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmenden Luft sind relativ gering. Die sich einstellende laminare Luftströmung ist somit nicht ausreichend, um die Wärme abzuführen. Mit Hilfe der kannelierten Oberflächenstruktur wird eine mehr turbulente Strömung erzielt, um einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft zu erreichen. Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz ergeben sehr gute Leistungsverbesserungen in punkto Wärmeabfuhr. Weitere positive Bestandteile eines Lüfteraggregates, wie einseitig oder doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung im Gesamtkonstrukt, dienen aber auch gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten. In Summe liefern verschiedenartige Aufbauten von Lüfteraggregaten, nicht nur in der Leistungselektronik, eine erprobte und effiziente Entwärmungstechnik.  (mr)

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik

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