Passive und aktive Kühlkonzepte Kühle Elektronik lebt länger

Temperaturabweichungen entscheiden über die Lebensdauer elektronischer Geräte.
Temperaturabweichungen entscheiden über die Lebensdauer elektronischer Geräte.

Die Temperaturregelung von Halbleitern ist in vielen Applikationen zwingend erforderlich, zumal Temperaturabweichungen die Lebensdauer elektronischer Bauelemente direkt beeinflussen können. Jeder Einsatzfall erfordert dabei angepasste Entwärmungskonzepte – aktiv oder passiv.

In puncto elektronischer Halbleiter und deren Lebensdauer gilt allgemein die Grundregel, dass sich für je 10 K Temperaturerhöhung die anzunehmende – in den Datenblättern der Halbleiterhersteller genannte – Lebensdauer um 50 Prozent reduziert. Diese Tatsache untermauert, dass ein wirkungsvolles thermisches Management zur Temperaturregelung zwingend erforderlich ist. Bei häufig verwendeten Entwärmungskonzepten wird zwischen der natürlichen (freien) Konvektion, der erzwungenen (forcierten) Konvektion und der Entwärmung mit Hilfe von Flüssigkeiten differenziert. Welche Art der Entwärmung in der Applikation am sinnvollsten einzusetzen ist, muss anhand verschiedener Parameter abgewogen werden.

Neben eventuellen Einbaubedingungen und dem damit zur Verfügung stehenden Platz sollten stets schon im Vorfeld die thermischen Belange genauestens überprüft werden. Die überschlagsmäßige Berechnung des thermischen Widerstandes liefert im Vorfeld eine wichtige Aussage darüber, ob zur Lösung der thermischen Aufgabe eine passive, aktive oder eine Entwärmung mittels Flüssigkeiten eingesetzt werden muss. Der genannte Wärmewiderstand setzt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteiltemperatur und der der Applikationsumgebung sowie der abzuführenden Verlustleistung der elek­tronischen Komponente zusammen. Grafische Angaben oder Werteangaben zum thermischen Widerstand in den Katalogen der Kühlkörperhersteller ermöglichen anschließend eine grobe Vorauswahl des Entwärmungskonzeptes.

Freie Konvektion mittels ­Strangkühlkörper

Die freie oder auch natürliche Konvektion beschreibt in der Physik den Mechanismus des Wärmetransportes, also das Mitführen von Teilchen, welche thermische Energie enthalten. Aufgrund von Dichte- und Temperaturunterschieden zwischen der Luft und dem Kühlkörper entsteht ein sogenannter Konvektionsauftrieb. Das heißt, der Kühlkörper nimmt die am Halbleiter entstehende Wärme auf und leitet diese anschließend über die Rippengeometrie an die Umgebung ab.

Kühlkörper als Entwärmungskonzept für die freie Konvektion werden hauptsächlich im sogenannten Extrusionsverfahren hergestellt. Als Ursache hierfür sind die vielzähligen Gestaltungsmöglichkeiten zu nennen, des Weiteren ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit. Neben dem leisen Wirkprinzip der freien Konvektion, z. B. bei technischen Anwendungen, die absolut geräuschlos sein müssen, bieten Strangkühlkörper (Bild 1) etliche applikationsspezifische Vorteile.

Die wärmetechnische Leistung von im Extrusionsverfahren hergestellten Kühlkörpern setzt sich immer aus dem Verhältnis zwischen Bodenstärke, Rippenhöhe, -abstand und -anzahl zusammen. Die genaue Dimensionierung von Strangkühlkörpern lässt sich aufgrund physikalischer Gesetze berechnen oder kann mittels der thermischen Simulation ermittelt werden. Dafür allerdings sind hinreichende physikalische Kenntnisse vonnöten.

Eine auf die Applikation zugeschnittene, richtige Kühlkörperauswahl führt zu einer Verbesserung des wärmetechnischen Verhaltens; dies gilt gleichermaßen für die freie wie auch für die forcierte Konvektion. Strangkühlkörper sind oftmals im Gerät verbaute Komponenten, welche immer in Zusammenhang mit anderen Bauteilen gesehen werden müssen.

Aufgrund des Herstellungsverfahrens obliegen alle Kühlkörper, je nach ihrer Dimension und Kontur, internationalen Normen. In puncto Durchbiegung der Montageflächen sowie Breiten- und Höhentoleranz können die fertigungsbedingten Abweichungen erheblich sein und erfordern oftmals eine mechanische Nacharbeitung. Wird diese, wie häufig, aus preislichen Gründen nicht gewünscht, sollte stets bedacht werden, dass die Durchbiegungen eines Kühlkörpers in einem Toleranzbereich von einigen Zehntel- bis hin zu einigen Millimetern liegen können.

Ohne jegliche mechanische Nacharbeit der Auflagefläche des Halbleiters auf dem Kühlkörper beträgt die Kontaktfläche lediglich zwischen 2 und 5 Prozent. Die restliche Fläche ist ein Luftpolster bzw. sie besteht aus Zwischenräumen, in denen die Luft als thermischer Isolator fungiert. Die Luft mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/(m×K) ist allerdings ein 7692-mal schlechterer Wärmeleiter als das Grundmaterial Aluminium (λ= 200 W/(m×K)) und beeinflusst den Wärmeübergangswiderstand maßgeblich.

Eine gute wärmetechnische Anbindung der elektronischen Komponente auf dem Kühlkörper, im Sinne einer sicheren und langlebigen Funktion des Halbleiters, ist infolgedessen unerlässlich. Hierfür bieten verschiedenartige Wärmeleitmaterialien (Bild 2) bei richtigem Einsatz ausgezeichnete Lösungen.

Ebenfalls im Bereich der Entwärmung von elektronischen Bauelementen, integriert auf der Leiterkarte, haben stranggepresste Aluminiumprofile (Bild 3) in Form von Leiterplattenkühlkörpern längst Einzug gehalten. Diese liefern aus thermischer und montagetechnischer Sicht wirksame Lösungen, um leistungsstarke Komponenten direkt auf der Leiterkarte zu entwärmen.

Die Befestigung der einzelnen Kühlkörpertypen auf der Leiterkarte erfolgt über einen oder mehrere Lötstifte, und zwar wahlweise als Spann- oder Vollstift, welche fest im Kühlkörper eingepresst sind und durch eine lötfähige Oberflächenbeschichtung direkt in die Leiterkarte eingelötet werden. Verschiedenartige Transistorbauformen wie TO-220, TO-218 oder TO-247 sowie diverse SIP-Multiwatt können je nach Applikation in liegender oder stehender Form auf dem Kühlkörper befestigt werden.

Die Befestigung der elektronischen Bauteile erfolgt anhand der im Kühlkörper eingebrachten Befestigungslöcher und Lochbilder im Falle einer Schraubmontage oder durch spezielle Transistorhaltefedern. Unterschiedliche, auf die verwendeten Bauteile abgestimmte Federklammergeometrien liefern neben der Schraubbefestigung durch ihren hohen Anpressdruck einen optimierten Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine zeitsparende Montage mit sicherem Halt.