Entwärmung von Leistungselektronik Thermosimulation bei IGBT-Modulen

Bild 1. Beispielhafte Darstellung einer mit Flüssigkühlung ausgestattetes Kühldose für IGBT-Module.
Bild 1. Beispielhafte Darstellung einer mit Flüssigkühlung ausgestattetes Kühldose für IGBT-Module.

Die folgenden Ausführungen beschreiben die Leistungsanalyse eines Hochleistungskühlers, die mit Hilfe des 3D-Strömungssimulationsprogramms 6SigmaET durchgeführt wurde.

Obwohl 95 Prozent aller Kühlansätze in der Elektronikindustrie auf konvektive Kühlung via optimierter Luftführung setzen, steigt parallel dazu die Nachfrage nach Flüssigkeitskühlung. Dafür gibt es mehrere Gründe:

So sprechen neben dem steigenden Aufwand, eine ausreichende Kühlung von Leistungshalbleitern via Luft zu gewährleisten, auch die Zukunftsszenarien der Solartechnik und der Automobilbranche für einen steigenden Bedarf an Flüssigkeitskühlern.

Will man sich einen besseren Einblick in die Leistungsfähigkeit eines Kühlers für Leistungshalbleiter (siehe Bild 1) verschaffen, so muss man zuerst den Weg betrachten, den die Wärme vom Silizium hin zur Kühlflüssigkeit nimmt.

Schnell wird man dabei feststellen, dass die Wärmeüber- tragung vom Bauteil an das fließende Wasser komplizierte Wege nimmt und von mehreren Faktoren bestimmt wird:

  • dem internen Bauteil-Wärmewiderstand des Siliziums zum Boden des Bauteilgehäuses,
  • dem Widerstand der Leiterplatte und des Interface-Materials (Kleber, Folien etc.),
  • dem Wärmewiderstand des Deckels der Kühldose,
  • dem Wärmewiderstand zum Fluid.

Zu beachten gilt ferner, dass der interne Wärmewiderstand des Bauteils vom Hersteller vertrauenswürdig angegeben sein sollte (2-R-Netzwerk Junction-Base und Junction-Board). Ebenso wichtig ist, dass das Interface-Material, insbesondere die „Wärmeleitpaste“, so dünn wie möglich aufgetragen wird. Diese dient der Luftverdrängung in der Oberflächenrauhigkeit, welche durch den Anpressdruck nicht ausgeglichen werden kann.

Zu beachten gilt ferner, dass der interne Wärmewiderstand des Bauteils vom Hersteller vertrauenswürdig angegeben sein sollte (2-R-Netzwerk Junction-Base und Junction-Board). Ebenso wichtig ist, dass das Interface-Material, insbesondere die „Wärmeleitpaste“, so dünn wie möglich aufgetragen wird. Diese dient der Luftverdrängung in der Oberflächenrauhigkeit, welche durch den Anpressdruck nicht ausgeglichen werden kann.

Den Wärmewiderstand der Leiterplatte und den des Deckels der Kühldose darf man nie gedankenlos aus Grundfläche des Bauteils, Wärmeleitfähigkeit von Metall und Dicke der Wand zusammensetzen. Die bekannte Formel für den Wärmewiderstand gilt nur dann, wenn die Wärme eindimensional wie in einem Draht fließt. Hier jedoch hat man es mit einem Wärmespreizwiderstand („heatspreading resistance“) zu tun, für den es komplizierte Näherungsformeln gibt.

Der bessere Weg führt über eine numerische Simulation, welche die Dreidimensionalität des Wärmeflusses automatisch berücksichtigt. Last but not least kommt noch der konvektive Wärmeübergangswiderstand an die Kühlflüssigkeit hinzu, der von der örtlichen Geschwindigkeit und Turbulenz der Flüssigkeit abhängt sowie vom Weitertransport der Wärme stromabwärts. Die komplexe geometrische Kanalgeometrie kann man in der Regel aus dem CAD-System übernehmen, während die (oft) einfacheren Wärmequellen und die Pumpeneigenschaften manuell hinzugefügt und parametrisiert werden.

Am Beispiel der branchenspezifischen Simulationssoftware 6SigmaET (ET = Electronic Thermal) wird die CAD-Geometrie durch den Filetyp „STL“ übernommen. Aufgrund der Basis-Architektur von 6SigmaET ist es nicht nötig, die CAD-Geometrie in eine dem Simulations-Algorithmus passende Beschreibung zu übersetzen. Die Software arbeitet direkt auf der CAD- Geometrie und bietet dem Anwender einfache Routinen, um die CAD-Körper mit Materialdaten, Verlustleistungs-beschreibungen und einem Lösungsgitter zu versehen.

Durch das Hinzufügen von Pumpendaten und Stoffwerten für die Kühlflüssigkeit errechnet das Analysewerkzeug schließlich die Kühlleistung auf Basis von Wärmeleitung, Konvektion via Luft am Außengehäuse, Flüssigkeitskühlung und bei Bedarf auch den Wärmestrahlungsaustausch zwischen Oberflächen automatisch.

Praxisbeispiel: ein Kühlmodul für zwölf IGBT-Module

Das folgende typische Beispiel lässt sich in ca. 30 Minuten auf einer zeitgemäßen Workstation definieren und berechnen: Auf dem Dosendeckel sind auf drei getrennten Leiterplatten (Bild 2) insgesamt zwölf IGBT-Module zu je 200 W montiert. Der Kühler steht in 60 °C heißer Umgebung und wird mit 15°C kaltem Wasser/Glykol-Gemisch durchströmt. Darüber hinaus gehen die Pumpenleistung und die Kanalgeometrie als Designparameter in die Berechnung mit ein.

Das Simulationsergebnis, ausgehend von 10 l/min Fließgeschwindigkeit, ist in Bild 3 dargestellt und lässt erkennen, dass die berechnete Bauteiltemperatur bei 140 °C liegt. Da die Rücklauf-temperatur des Wassers nur wenige Grad höher als am Zulauf ist, sind die Stromlinien entsprechend der Fluidgeschwindigkeit eingefärbt worden. Am Einlauf tritt das Wasser strahlartig ein und expandiert dann stromabwärts. Die zylinderförmigen Hindernisse sollen dafür sorgen, dass die Strömung verwirbelt und die nachfließende Wärme der Komponenten schnell abgeführt wird.
In verschiedenen Simulationsläufen kann man eruieren, welches der beste Kanalquerschnitt die beste Kanalform, die beste Hindernisgeometrie und die dazugehörende Pumpleitung wären. Zum Beispiel ließen sich der Kanal verengen und die Strömungsgeschwindigkeit dadurch erhöhen. Andererseits verlöre man dabei Fläche für den Wärmeaustausch, die Temperatur würde sich - laut Analysedurchlauf - um 3 K erhöhen und der Druckverlust um 40 Prozent zunehmen.

Ungleich sinnvoller wäre demzufolge, ausgehend vom ursprünglich großen Querschnitt die Fördermenge zu variieren, um zu sehen, wie sich hier der Einfluss auf die Temperatur bemerkbar macht. Das Ergebnis zeigt die Tabelle.

Wasserstrom20 l/min.
 10 l/min.
 5 l/min.
2,5 l/min.
Max. Temperatur135°C140°C146°C155°C
Einfluss der Kühlmittel-Durchflussgeschwindigkeit auf die Bauteiltemperatur

Natürlich berücksichtigt die Simulation auch die Wärmeabfuhr durch Luftkonvektion und Strahlungseffekte außerhalb der Dose. Diese beiden Wärmewege spielen allerdings in der gegebenen Situation eine untergeordnete Rolle. „Hauptdarsteller“ ist hier vielmehr die Kühlleistung der Flüssigkeitsströmung.

Eine Aufgabe in diesem Umfang lässt sich inklusive der Datensammlung, dem Modellaufbau, der Analyse und Variantenerstellung und dem Bericht mit einem Zeitaufwand von ungefähr vier Tagen durchkalkulieren. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, verschiedene CAD-Geometrien durchzuspielen und dabei einen Multicore-Solver zu verwenden, so dass man auch verschiedene Varianten ausprobieren und diese von Stunde zu Stunde weiter optimieren kann.

Anwender jenes 3D-Simulationstools, welches bei diesem Beispiel zum Einsatz kam, können ihre Entwicklungszyklen merklich verkürzen, wenn sie die Software nutzen und zugleich über den physikalisch richtigen Blick auf die Wärmewege verfügen. So gesehen amortisieren sich die Kosten für die Anschaffung dieses Programmwerkzeugs innerhalb weniger Projekte im Jahr.

 

Der Autor

Dipl.-Ing. Tobias Best
ist Wirtschaftsingenieur und arbeitet seit Februar 1997 im Bereich „branchenspezifische CFD-Software“. Erst als Vertriebsingenieur, später als Prokurist und Country Manager (Zentraleuropa,) war er am Erfolg der Flomerics-Gruppe in Europa beteiligt. Heute ist er Gründer und alleiniger Gesellschafter der Alpha-Numerics GmbH.
tobias.best@alpha-numerics.de