Leistungshalbleiter optimal entwärmen

Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten Wärmeleitmaterials

Hohe Leistungsdichte und entsprechend hohe Qualitätsstandards erfordern eine möglichst passgenaue und prozesssichere Entwärmung von Leistungselektronik-Modulen. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die thermisch wirkungsvolle Anbindung zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper.

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Bei leistungselektronischen Geräten und Systemen ist die Wärmeentwicklung ein entscheidender Parameter: Eine zu hohe Temperatur führt zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer und im Worst-Case auch zur Zerstörung des Moduls. Jeder Temperaturwechsel verursacht außerdem mechanische Spannungen im Bauelement, die vor allem die Löt- und Bondverbindungen belasten. Die sich im Betrieb meist sehr stark erwärmenden, hochintegrierten Leistungs-Bauelemente müssen daher zur Kühlung thermisch an zumeist Alu-Kühlkörper angekoppelt werden; je nach Applikation und Leistungsdichte können auch Gehäuseteile, Druckgussgehäuse oder Kupferbleche Verwendung finden. Diese Kühlkörper spreizen wegen ihrer sehr großen Oberfläche die Wärme auf und führen sie an die Umgebung ab (Kaminwirkung).

Zur Erhöhung dieser Wirkung kann auch eine durch Lüfter forcierte Kühlung vorgenommen werden. Diese Kühlmethode wendet man vor allem bei beengten Raumverhältnissen an, wobei die Lebensdauer des Lüfters nicht vernachlässigt werden darf. In hochwertigen Spezialapplikationen kommen des Weiteren Heatpipes oder Flüssigkeitskühler zum Einsatz - trotz ihrer kostenmäßig eher ungünstigen Struktur.

Alle diese Kühlkonzepte können allerdings nur dann erfolgreich wirken, wenn eine thermisch wirkungsvolle Anbindung zwischen Leistungshalbleiter und Kühlkörper erreicht wird. Der Wärmeableitung vom Halbleiter zum Kühlkörper stehen dabei jedoch drei entscheidende Eigenschaften entgegen:

Je größer die Oberflächen sind, desto mehr ist die Konvexität/Konkavität ein entscheidender Faktor. Bei kleinen Flächen, wie beispielsweise den TO-220-Gehäusen, ist dieser Faktor relativ vernachlässigbar.

Beides verursacht aber mehr oder weniger große Luft-Gaps, die den Wärmeübergangswiderstand erheblich erhöhen können, infolgedessen wiederum die Wärmeableitung drastisch verringert wird. Die Folge kann eine schnelle Überhitzung und dadurch ein Totalausfall in kürzester Zeit sein.

1. Teil: Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten Wärmeleitmaterials
2. Teil: Maßnahmen zur Verringerung des thermischen Übergangswiderstands
3. Teil: Thermisch leitende Silikonfolien

Weiterführende Links:

• Kühlkörper für Hochleistungs-LEDs: Keramik vereinfacht das thermische Management
• Mit oder ohne Lüfter?: Grundlagen und Tipps zur Entwärmung von Industrie-PCs
• Kühlung extrem: Keramikkühlkörper für LED-Arrays