Wärmemanagement So wählen Sie das richtige Wärmeableitgehäuse aus

Anbieter zum Thema

Fischer Elektronik GmbH & Co. KG

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Einer der häufigsten Faktoren für Fehlfunktionen und vorzeitige Ausfälle von elektronischen Systemen ist der Temperaturstress, dem Halbleiterbauteile ausgesetzt sind. Wärmeableitgehäuse sorgen für thermische Stabilität und gewährleisten die Zuverlässigkeit elektronischer Systeme.

Um temperaturbedingte Funktionsstörungen elektronischer Systeme zu vermeiden, darf die vom Hersteller angegebene maximal zulässige Sperrschichttemperatur der Halbleiterbauteile nicht überschritten werden. Je mehr man sich dieser Sperrschichttemperatur nähert, desto geringer wird die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente. Ohne eine effektive Ableitung der Verlustleistung (Wärme) an die Umgebung steigt die Bauteiltemperatur bis über die Sperrschichttemperatur an, was letztendlich die Halbleiterbauteile schädigt.

Obwohl bei der Entwicklung von elektronischen Systemen ein besonderes Augenmerk darauf liegt, die Verlustleistungen möglichst gering zu halten, gestaltet sich eine Temperaturbegrenzung aufgrund von steigenden Rechenleistungen und hohen Integrationsdichten immer komplizierter. Meist lässt sich ein Überschreiten der zulässigen Sperrschichttemperatur nur verhindern, indem man zusätzlich Bauelemente einsetzt, die die Wärme von den Leistungskomponenten weg- und an die Umgebung ableiten.

Bildergalerie

Eine bewährte Methode zur Temperaturbegrenzung ist der Einsatz von Wärmeableitgehäusen, welche mindestens ein Gehäuseprofil beinhalten, das als passiver Wärmetauscher fungiert und die notwendige Wärmeableitung gewährleistet. Die Funktion eines solchen Kühlprofils beruht auf der natürlichen Konvektion.

Durch die thermische Kontaktierung der wärmeproduzierenden Halbleiterbauteile auf einem Kühlprofil gelangt die Wärme durch die Wärmeleitung in den Kühlkörper und wird dort verteilt. Dabei bewegt sich der Wärmefluss von den Bereichen mit hoher Temperatur zu den Bereichen mit niedriger Temperatur. Letztendlich wird die Wärme über die Oberfläche des Kühlprofils an die Umgebungsluft abgeleitet.

Thermische Leistung und Kontaktierung

Die thermische Leistung des Kühlprofils und die Art der Kontaktierung haben hierbei direkten Einfluss auf diesen Prozess.

Die thermische Leistung des Kühlprofils: Sie hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials und der Oberflächengröße des Kühlprofils ab. Aus diesem Grund werden Wärmeableitgehäuse aus Aluminium gefertigt. Der Werkstoff bietet neben einer geringen Dichte und einem relativ günstigen Materialpreis vor allem einen hohen Wärmeleitwert. Zudem ist die Außenkontur des Kühlprofils gerippt. Diese sogenannte Kühlrippenkontur dient einer Maximierung der Oberfläche und führt zu einem besseren Energieaustausch mit der Umgebungsluft.

Die thermische Kontaktierung: Bedingung für eine optimale Wärmeabfuhr ist eine thermische Kontaktierung, die nicht durch Lufteinschlüsse zwischen der Wärmequelle und dem wärmeableitenden Kühlprofil gestört wird. Um solche Lufteischlüsse zu eliminieren, werden Wärmeableitmaterialien wie beispielsweise Wärmeleitfolien, -Pasten oder Kleber (TIM = Thermal Interface Materials) verwendet. Sie verbinden die Halbleiterbauteile mit dem Kühlprofil bestmöglich und sorgen für einen besseren Wärmeübergang.

Berechnung des Wärmewiderstands

Für die Auswahl eines geeigneten Wärmeableitgehäuses ist in erster Linie der Wärmewiderstand des Kühlprofils relevant. Er ist der Kehrwert des Wärmeleitwertes und wird in Kelvin/Watt gemessen. Je kleiner der Wärmewiderstand, desto effektiver arbeitet das Kühlprofil, was wiederum einem geringeren Temperaturanstieg zur Folge hat.

Damit Anwender schnell ein geeignetes Wärmeableitgehäuse finden, geben Hersteller deren Wärmewiderstand in Form von Diagrammen an. Anhand dieser Diagramme lässt sich der Wärmewiderstand eines Gehäuses bzw. Profils, gemessen an dessen Länge, ablesen (Bild 1). Doch zuvor müssen Anwender den Wärmewiderstand berechnen.

R_thk = [(T_j – T_u) / P] – (R_thG + R_thM)
R_thk = Wärmewiderstand des Kühlkörpers,
T_j = maximale Sperrschichttemperatur,
T_u = Umgebungstemperatur (hier sollte ein Zuschlag von 10 bis 30 C° berücksichtigt werden),
P = Die am Halbleiter anfallende maximale Leistung [W],
R_thG = innerer Wärmewiderstand des Halbleiters [K/W],
R_thM = Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials zwischen Halbleiter und wärmeableitenden Bauteil [K/W].

Da elektronische Systeme von vielen unterschiedlichen Rand- und Einbaubedingungen abhängen, gestaltet sich ein geeignetes thermisches Management oft kompliziert. Mit Hilfe einer computergestützten Wärmesimulation lässt sich ein Entwärmungskonzept leicht auf dessen Eignung überprüfen. Aus diesem Grund ist der Einsatz einer solchen Simulation schon während der Entwicklungsphase empfehlenswert. So können ungeeignete Konzepte frühzeitig verworfen oder optimiert werden (Bild 2).

Wärmeableitgehäuse: Aufbau und Details

Bei der Suche nach einem geeigneten Wärmableitgehäuse spielen – neben dessen thermischer Leistung – auch die Gehäuseparameter, die Montageart der Gehäusekomponenten sowie die Implementierung der Elektronik eine entscheidende Rolle. Um der wachsenden Nachfrage von Wärmeableitgehäusen für unterschiedliche Anforderungen gerecht zu werden, offerieren Gehäusehersteller Wärmeableitgehäuse in verschiedenen Größen, Aufbauten und mit diversen Aufnahmemöglichkeiten für Montage- und Leiterplatten.

Ein typisches Wärmeableitgehäuse setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Der Gehäusetubus besteht meist aus Aluminiumstrangpressprofilen, welche eine stabile Struktur schaffen und über integrierten Führungsnuten verfügen, die zur Aufnahme der Montage- oder Leiterplatten dienen. Zur Anwendung kommen u-förmige Halbschalenprofile oder Seitenwandprofile.

Techniktrends für Elektronikkühlung und Wärmemanagement

Die Cooling Days stehen schon seit Jahren für geballtes Know-How und sind für Entwickler und Gerätebauer elektronischer Bauelemente, Baugruppen und Systeme zum Pflichttermin geworden. Der Kongress bietet eine ideale Gelegenheit für das Networking unter den Teilnehmern und die Kontaktaufnahme zu den zahlreichen Experten aus Forschung und Industrie.

Jetzt informieren!

Bei einem Halbschalenprofilgehäuse bildet das Profil die Ober- oder Unterschale des Gehäusekörpers. Oft verfügt dieses Profil schon über die für Wärmeableitgehäuse typischen Kühlrippen. Ein einschiebbares oder anschraubbares Abdeckblech schließt dieses Schalenprofil oberhalb, beziehungsweise unterhalb, ab. Profilhalbschalen, die über keine Kühlrippen verfügen, werden durch einschiebbare Kammprofile ergänzt.

Bei Halbschalenprofilgehäusen bestimmen die Profilparameter die Höhe und Breite des Gehäuses. Um genormten sowie ungenormten Leiterplatten Platz zu bieten, offerieren Gehäusehersteller Halbschalenprofilgehäuse in verschieden Höhen und Breiten. Die Länge der Profile ist variabel und kann nach Bedarf an die anwendungsspezifischen Anforderungen angepasst werden.

Setzt sich der Gehäusetubus aus zwei gerippten Seitenwandprofilen sowie Deck- und Bodenblech zusammen, lässt sich das Gehäuse in der Breite ebenso flexibel herstellen wie in der Länge. Die Deck- und Bodenbleche sowie die front- und rückseitigen Deckelplatten können problemlos in den verschiedensten Abmessungen gefertigt werden.

Individuelle Gehäusegestaltung mit Schalengehäusen

Mehr Individualität bezüglich der Gehäuseparameter und des Designs gewährleisten universelle Schalengehäuse mit einer aus Aluminiumblech gefertigten Unterschale. Das Kühlprofil, das die Unterschale von oben abschließt, und für die Entwärmung der Halbleiterbauteile sorgt, ist aus einem breiten Sortiment von Kühlkörperprofilen mit verschiedenen Abmessungen sowie unterschiedlichen Wärmewiderständen wählbar. Diese Variante ermöglicht die Herstellung von Wärmeableitgehäusen in diversen kundenspezifischen Formen und Größen in Verbindung mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften.

Anders als bei Profilhalbschalengehäusen erfolgt hier die Befestigung der Leiterplatten über in der Unterschale fest eingepresste Gewinde-Buchsen. Die Lage und Höhe der Gewinde-Buchsen ist ebenso frei wählbar wie die Gehäuseabmessungen und das Kühlprofil (Bild 3).

Unabhängig davon, ob sich ein Anwender für ein Profil- oder Blechschalengehäuse entscheidet, optional sind Wärmeableitgehäuse mit zweckmäßigen Befestigungselementen für eine sichere Fixierung erhältlich. Profil- oder Blechlaschen mit speziellen Aussparungen für Befestigungsschrauben gewährleisten selbst in einem Umfeld mit Vibrationsstörungen eine zuverlässige Wand- sowie Deckenmontage.

Eine schnelle und einfache Montage eines Gehäuses an eine Hutschiene erfolgt über ein stabiles Aluminium-Strangpressprofil das über eine dazu speziell entwickelten Kontur verfügt, und einer eingepressten Drahtformfeder aus rostfreiem Stahl, welche einen sicheren und festen Halt garantiert.

Neben der Entwicklung und Herstellung von Wärmeableitgehäusen gehört auch deren mechanische Bearbeitung zu den Kernkompetenzen eines Gehäuseherstellers. So können die Deckelplatten, Abdeckbleche und Blechschalen auf Kundenwunsch mit Lüftungsschlitze oder Aussparungen für diverse Bauteile, wie beispielsweise Steckverbinder versehen werden.

Fazit: Die steigende Verlustleistung von elektronischen Systemen gestaltet die Wärmeabfuhr immer komplizierter. Aus diesem Grund besteht die Hauptaufgabe eines Gehäuses oft darin, die Verlustwärme von den Leistungskomponenten weg- und an die Umgebung abzuleiten, so dass die maximale Sperrschichttemperatur der Leistungskomponenten nicht überschritten wird. Wärmeableitgehäuse gewährleisten durch ihre Gestaltung und das Material, aus dem sie gefertigt werden, eine optimale Wärmeabfuhr an die Umgebung. (kr)

(ID:49820706)