Räumlich Baugruppen
Thermisches Management mit 3D-MIDs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Aktive Kühlung
Unter aktiver Kühlung versteht man das Kühlen eines Systems unter Aufwendung von Energie. Bekannte Beispiele sind Lüfter, Kühlkreisläufe oder auch thermoelektrische Kühlkörper. Für das nachfolgend beschriebene System wurde eine Wasserkühlung in einem 3D-MID-Schaltungsträger realisiert. Durch integrierte Kühlkanäle kann eine Kühlflüssigkeit gepumpt werden, um das auf dem MID-Substrat montierte Bauteil effektiv zu kühlen. Die gesteigerte Kühlleistung basiert auf dem Effekt der erzwungenen Konvektion.
Für den Wärmeübergang entscheidend sind unter anderem die vorliegende Strömungsart, charakterisiert durch die Reynolds-Zahl, und die Eigenschaften des Kühlfluids, charakterisiert durch die Prandtl-Zahl [1].
Derartige Kühlsysteme können durch CFD-Simulations-Tools (Computational Fluid Dynamics) modelliert werden. An einem Beispiel-modell wurden die Auswirkungen variabler Systemparameter (Geometrien und Fluideigenschaften) sowie Maßnahmen zur Verbesserung des Kühlverhaltens untersucht.
Die Simulationsergebnisse und der Aufbau sowie die Temperaturverteilung eines Simulationsszenarios sind in Bild 4 zusammengefasst. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Wasserkühlung die LED-Temperatur deutlich senken kann. Durch zusätzliche funktionale Strukturen lässt sich die Kühlung noch weiter verbessern.
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Der Demonstrator wurde mittels Spritzgießen hergestellt (Bild 5). Allerdings können mit dem Spritzgießprozess standardmäßig nur gerade Kavitäten erzeugt werden, um den Spritzling aus der Form entnehmen zu können. Da jedoch insbesondere für Kühlanwendungen gebogene Kanäle (z.B. für Mäander) vorteilhaft sind, wurde zusätzlich ein Prozess entwickelt, der die Herstellung solcher Strukturen ermöglicht [3]. Der Aufbau der aktiv gekühlten MID-Schaltungsträger und die Temperaturmessung erfolgten analog zu den passiv gekühlten Versionen.
Zur Charakterisierung wurde untersucht, welchen Einfluss der Volumenstrom bzw. die Geschwindigkeit des Kühlwassers auf die LED-Temperatur haben. Für die weiteren Charakterisierungen wurde der Volumenstrom des Kühlwassers auf ca. 100 ml/min eingestellt. Aufgrund der guten Kühlleistung konnte die LED auch außerhalb der Spezifikationen mit Vorwärtsströmen bis zu 600 mA betrieben werden, ohne die für den Dauerbetrieb maximal empfohlene Temperatur von 135 °C zu überschreiten - laut Datenblatt wären maximal 350 mA zulässig.
In Bild 6 sind beispielhaft die Messergebnisse zum Einfluss thermischer Vias dargestellt. Für einen Vorwärtsstrom von 600 mA ließ sich die LED-Temperatur durch die thermischen Vias um bis zu 20 K senken.
Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch funktionale Strukturen in 3D-MID-Substraten die thermische Leitfähigkeit erheblich verbessern lässt. So konnte die Temperatur einer Leistungs-LED, mit einer Verlustleistung von 1 W, um bis zu 35 K (passiv) bzw. 70 K (aktiv) gesenkt werden. Weiterführende Untersuchungen zur Kühlmittelkompatibilität und zum Langzeitverhalten fluidischer MID-Systeme müssen in zukünftigen Arbeiten noch durchgeführt werden. In 3D-MID-Subtraten integrierte fluidische Strukturen eignen sich aber nicht nur zur Kühlung, sondern potentiell auch für Mikrofluidiksysteme.
Dieser Beitrag entstand mit freundlicher Unterstützung des Lehrstuhls für Mikrosystemtechnik (Prof. Bertram Schmidt) der Universität Magdeburg und des InnoProfile Projekts TEPROSA (Dr. Sören Hirsch).
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