Entspannte Leistungshalbleiter
Optimierte Kühltechnik für Einsatz in der Leistungselektronik
Ungeachtet stetiger Weiterentwicklungen im Bereich neuer physikalischer und schaltungstechnischer Konzeptionen für Leistungshalbleiter ist das thermische Management, nicht nur in der Leistungselektronik, immer noch eine wirkliche Herausforderung, die es anwenderseitig zu lösen gilt.
Im Betrieb elektronischer Bauteile entsteht unvermeidbar eine oftmals nicht gewünschte Verlustleistung, welche direkt in Wärme umgewandelt wird und auf lange Sicht dem Bauteil schadet oder dieses sogar zerstört. Ebenfalls bei elektronischen Leistungshalbleitern entsteht diese Wärme, die aufgrund der Leistungsparameter der Bauteile nur deutlich höher ausfällt. Es gilt, die vom Bauteilehersteller gemäß Datenblatt vorgegebenen maximalen Einsatztemperaturen zu kontrollieren und einzuhalten, da ansonsten kostenintensive Funktionsstörungen und -ausfälle vorprogrammiert sind.
Hocheffiziente Entwärmungslösungen für unterschiedliche Bauteilgrößen und Leistungsklassen, als passive, aktive oder flüssigkeitsgekühlte Ausführung aus dem Hause Fischer Elektronik, schaffen Abhilfe und sind in puncto Lebensdauerverlängerung sinnvoll einzusetzen. Zeitabhängige Temperaturbelastungen elektronischer Leistungshalbleiter, gepaart mit kompakteren Packungsdichten, führen unweigerlich zu einem höheren Wärmeaufkommen am Bauteil und sind ein erheblicher Faktor für die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzepts.
Historisch gesehen ist die Leistungselektronik ein Teilbereich der Elektrotechnik und nahm mit der Entwicklung des ersten Gleichrichters im 19. Jahrhundert so richtig Fahrt auf. Gleichrichter werden natürlich nicht nur im Bereich der Leistungselektronik eingesetzt, sodass heutzutage unter dem Begriff Leistungselektronik all das verstanden wird, was im Wesentlichen mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Angesichts des sehr umfangreichen Einsatzspektrums bewegen sich die auftretenden Ströme und Spannungen, je nach Anwendungsgebiet und Anforderung, im Bereich von einigen Milliampere und wenigen Volt bis hin zu einigen Kiloampere und -volt. Bei der Betrachtung der Bauteileffizienz und dem daraus resultierenden Wirkungsgrad sowie der Bauteillebensdauer macht ein wirkungsvolles thermisches Management essenziell und unabdingbar.
Kühlkörper für hohes Wärmeaufkommen
Strangkühlkörper aus Aluminium (Bild 1) werden in unzähligen technischen Applikationen zwecks Bauteilentwärmung wirkungsvoll eingesetzt und liefern die am häufigsten verwendete Entwärmungslösung überhaupt. Bis zu einem gewissen Grad an Wärmeaufkommen funktionieren die »klassischen« Ausführungen sehr gut, wobei für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen performancestärkere Ausführungen sinnvoll und effizienter einzusetzen sind.
Limitiert wird die Entwärmelösung durch die maximale Wärmekapazität des einzelnen Kühlkörpers. Somit ist für die Abfuhr größerer Wärmemengen die Oberfläche des Kühlkörpers nicht ausreichend, um die Wärmemenge in der Gesamtheit aufzunehmen und an die Umgebung abzugeben. Zur Entwärmung leistungsstarker Elektronikkomponenten und Bauteile hat Fischer Elektronik die sogenannten Hochleistungskühlkörper (Bild 2) entwickelt und konzipiert.
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Diese sind in unterschiedlichen Breitenabmessungen verfügbar und stellen die leistungsstärksten Ausführungen in der Gesamtrubrik Kühlkörper dar. Je nach Kühlkörperaufbau bzw. Rippengeometrie als Voll- oder Hohlrippe funktionieren Hochleistungskühlkörper sowohl bei freier als auch bei erzwungener Konvektion. Aufgrund der geometrischen Abmessungen und Materialverteilung sind Hochleistungskühlkörper in der Herstellung recht komplex und aufwendig.
Hochleistungskühlkörper mit einer Vollrippe für die freie Konvektion (Bild 2) sind fertigungstechnisch bis zu einer Breite von 500 mm in einem Stück als Strangpressprofil herzustellen, hingegen Hochleistungskühlkörper mit einer Hohlrippe aufgrund der Materialverteilung gar nicht strangzupressen sind. Daher bedient man sich bei der Produktion zweier verschiedener Herstellungsmöglichkeiten.
Eine Möglichkeit besteht aus einem U-förmigen Strangpressprofil als Kühlkörperbasis, welches als Besonderheit im Innenbereich eine spezielle Einpressgeometrie enthält. In einem weiteren Arbeitsschritt werden im Anschluss ebenfalls stranggepresste Voll- oder Hohlrippen, welche am Rippenfuß das Gegenstück zur Einpressgeometrie enthalten, unverlierbar und formschlüssig mit dem Basisprofil verpresst. So sind großvolumige Kühlkörper herzustellen, die je nach Applikationsanforderung wahlweise mit einer Voll- oder Hohlrippe ausgestattet werden.
Hochleistungskühlkörper mit einer Gesamtbreite größer 500 mm hingegen werden mithilfe des sogenannten FSW-Verfahrens (Friction Stir Welding) hergestellt. Hierbei handelt es sich um ein Reibrührschweißverfahren, bei dem extrudierte Kühlkörper plastisch nur mit deren Eigenmasse miteinander verbunden werden. Hierfür werden die Kühlkörper in Breiten unter 500 mm strangpresstechnisch in einem Stück hergestellt und im Anschluss im kalten Zustand zusammengefügt. Hochleistungskühlkörper zeichnen sich weiterhin durch sehr materialstarke Bodenplatten aus. Diese fungieren zum einen als Halbleitermontagefläche und zum anderen führen die Bodenplatten zu einer deutlich besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers. Je nach Kühlkörperausführung sind die Bodenplatten 15 bis 20 mm dick und bieten dem Anwender genügend Spielraum für eine sichere und feste Bauteilmontage mit vernünftigen, nach der Spezifikation vorgegebenen Drehmomenten gemäß den verschiedenartigen eingebrachten Gewindetypen.
Als weiteres wärmetechnisches Highlight weisen die in der Kühlkörperbasis zu verpressenden Kühlrippen eine gewellte (kannelierte) Oberflächenstruktur auf. Gegenüber einer herkömmlichen Glattrippe wird hierdurch eine Verbesserung des Wärmeübergangswiderstandes bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft im Bereich von etwa 10 Prozent erreicht.
Fertigungstoleranzen müssen ausgeglichen werden
Bei der bereits angesprochenen Halbleitermontage, unabhängig davon, ob es sich um normale Transistoren oder Leistungsmodule handelt, ist es zwingend empfohlen, im Vorfeld den Befestigungsbereich der Bauteile genauer zu analysieren. Herstellungsbedingte Toleranzen sind oftmals unvermeidbar und müssen betrachtet, bewertet und vielfach durch eine zusätzliche mechanische CNC-Bearbeitung eliminiert werden. Bezogen auf Hochleistungskühlkörper erschweren im Besonderen die Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung eine wärmetechnische und fachgerechte Kontaktierung bzw. Montage der Bauteile auf der Wärmesenke.
Fungiert der Kühlkörper gleichfalls als Einbauteil in Verbindung mit weiteren mechanischen Komponenten, so müssen weiterhin die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Im Hinterkopf gilt es festzuhalten, dass je größer ein Kühlkörper von den Abmessungen herausfällt, desto schwieriger ist dieser in der Herstellung und desto größer fallen die zu erwartenden Toleranzen aus.
Mit einer gewissen Erfahrung ist es relativ einfach ersichtlich, dass etwa für große IGBT-Module die oftmals nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von <0,02 mm ohne eine mechanische Nacharbeit nicht zu erreichen sind. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte sowie Qualität in Hinblick auf Eben- und Rauheit für eine fachgerechte Bauteilmontage sind mit einem innovativen Maschinenpark und angepassten Fräswerkzeugen (Bild 3) sehr gut, auch nach kundenspezifischen Vorgaben, zu erreichen.
Das Element Luft liefert eine starke Performance
Wärmetechnisch gesehen stoßen leider auch Hochleistungskühlkörper, genauer das Wirkprinzip der freien Konvektion, in puncto Wärmeabfuhr an ihre Grenzen. Speziell bei größeren abzuführenden Verlustleistungen treten daher noch effizientere Entwärmungskonzepte in den Vordergrund. Dies ist oftmals auch der Fall, wenn zu voluminöse Kühlkörper aufgrund ihrer Größe nicht in das Einbaukonzept passen oder das damit verbundene Gewicht ein Ausschlusskriterium darstellt. In diesem Fall liefert das Medium Luft in Verbindung mit umschlossenen Basisprofilen aus Aluminium und innenliegender Wärmetauschstruktur, den sogenannten Lüfteraggregaten (Bild 4), eine äußerst effiziente und kompakte Entwärmungsmöglichkeit.
Diese sehr leistungsstarken Lüfteraggregate basieren auf dem Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion, das heißt, durch die davor geschalteten Lüftermotoren wird eine starke Luftbewegung in gerichteter Form durch die innenliegende Wärmetauschstruktur der Aluminiumbasisprofile geleitet. Sowohl die für das jeweilige Lüfteraggregat zugrunde gelegte Wärmetauschstruktur als auch deren Geometrie sind spezifisch auf einen entsprechenden Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt und dadurch sehr effektiv.
Unterschiedliche Lüfterkonzepte finden ihre Anwendung, wobei neben den axialen und tangentialen Ventilatoren die besseren Luftleistungswerte der Diagonal- und Radiallüftermotoren eine erhebliche Effizienzsteigerung der Wärmeableitung bewirken. Einseitige oder doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung innerhalb des Lüfteraggregates, dienen aber gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten.
Ähnlich wie Hochleistungskühlkörper sind die sich in der inneren Wärmetauschstruktur befindlichen Rippenaufbauten mit einer Oberflächenkannelierung ausgestattet, wodurch eine vergrößerte Oberfläche zur Wärmeaufnahme erreicht wird. Durch die gewellte Rippenstruktur wird in puncto Wärmeableitung gegenüber Glattrippen eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung erzielt, da aufgrund der Kannelierung eine turbulentere Strömung erzielt wird, was letztendlich einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft bewirkt.
In Summe ergibt die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz sehr gute Leistungsverbesserungen. Bei erhöhter Turbulenz steigt jedoch gleichfalls der sich im Lüfteraggregat erhöhende Gegendruck (Staudruck), der dem Durchströmen der Luft entgegenwirkt. Diesen zu überwinden, erfordert leistungsstarke Lüftermotoren, um den Rippenkanal ausreichend mit Luft zu durchströmen. Derartige Lüftermotoren sind auf dem heutigen Markt verfügbar, sodass verschiedene Arten an Lüfteraggregaten nicht nur in der Leistungselektronik eine erprobte und effiziente Entwärmungstechnik darstellen.
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