In der Fachliteratur wird der Begriff Wärmemanagement als der Gebrauch von verschiedenen Temperaturüberwachungs- und Entwärmungsmethoden innerhalb eines auf elektronischen Bauteilen basierenden Systems definiert, wie zum Beispiel die natürliche und erzwungene Konvektion. Das Hauptziel eines effektiven Wärmemanagements ist es, die Temperatur elektronischer Bauteile und des Gehäuseinneren in einem funktionalen Bereich zu halten.
Physikalische Vorgänge in der Halbleiterschicht erzeugen Verlustleistungen, die in Verlustwärme umgewandelt werden. So erzeugt ein stromdurchflossener Halbleiter eine Art Abwärme durch den elektrischen Widerstand, der sich durch Zusammenstöße der Elektronen und Atome beim Schalten binärer Zustände ergibt. Frequenzbedingte Ladungsverschiebungen erhöhen den Energiebedarf und erzeugen auch Abwärme. Eine sichere Funktion des Halbleiters kann aber nur dann gewährleistet werden, wenn dessen Temperaturhaushalt in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich gehalten und auch betrieben wird.
Wärme verursacht viele Probleme
Dass ein wirkungsvolles thermisches Management elektronischer Bauteile unerlässlich ist, zeigen auch statistische Untersuchungen an fehlerhaften elektronischen Bauteilen. Demnach sind über 70 Prozent der Fehler auf thermische Zusammenhänge zurückzuführen. Bei elektronischen Systemen beträgt die Ausfallrate durch thermisch induzierte Vorgänge immerhin noch gut
55 Prozent. Ausgehend von einer Bauteiltemperatur von 75 °C, kann zum Beispiel bei einem Temperaturanstieg auf 140 °C mit einem Anstieg der Ausfallrate um den Faktor 8 gerechnet werden.
Zum Entwärmen elektronischer Bauteile mittels freier Konvektion werden sehr häufig stranggepresste Kühlkörper aus Aluminium eingesetzt. Als Basisdefinition kann ein Kühlkörper, auch Wärmesenke genannt, als eine berippte Fläche oder als ein oberflächenvergrößerndes Bauteil verstanden werden. Der Wärmeübergang von einem festen Körper zum umgebenden Fluid ist umso besser, je größer die wärmeübertragende Oberfläche ist. Aufgrund dessen wird bei der Kühlkörperentwicklung stets versucht, eine möglichst große Wärmetauschfläche zu erzielen.
Bei der Kühlkörpergestaltung sind allerdings neben den herstellungstechnischen Restriktionen des Strangpressens, auch physikalische Gegebenheiten zu berücksichtigen. Beim Kühlkörperaufbau für die freie Konvektion ist besonders zu beachten, dass die Wärmetauschfläche nicht beliebig vergrößert werden kann. Je nach Kühlkörpergeometrie und Temperaturfeldern können sich einzelne Rippen und Flächen gegenseitig negativ beeinflussen. Daher sollte schon im Vorfeld einer jeden Applikation das Verhalten des Auftriebs und der Grenzschicht anhand einer thermischen Simulation überprüft werden. Im Extrusionsverfahren hergestellte Strangkühlkörper liefern effiziente Entwärmungsmöglichkeiten für kleinere, aber auch größere Verlustleistungen. Zudem bieten sie ein optimales Verhältnis aus Preis, Leistung, Gewicht und Volumen. Darüber hinaus lassen sich Strangkühlkörper gut und beliebig mechanisch bearbeiten sowie oberflächenbeschichten.
Entwärmen auf der Leiterkarte
Auch für kleinere Verlustleistungen, wie zum Beispiel zur direkten Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, sind Kühlkörper in vielen Applikationen vorzufinden und nicht mehr wegzudenken. Die Gruppe der sogenannten Board-Level-Kühlkörper setzt sich aus verschieden hergestellten Kühlkörpervarianten zusammen.
Neben den klassischen Strangkühlkörpern im Kleinstformat, zum Beispiel als SMD(Surface Mount Device)-Kühlkörper, finden ebenfalls gestanzte Kühlkörper aus Aluminium- oder Kupferblech ihren Einsatz. Besonders für das Design der Entwärmung auf der Leiterkarte, werden optimierte und kompakte Formen des Kühlkörpers bevorzugt sowie kundenseitig gefordert. Fingerkühlkörper liefern eine besonders effektive Kühlkörperbauweise, welche aus einer Grundplatte besteht, von der Lamellen, Fahnen oder Stifte abstehen. Diese geraden, gebogenen, gewinkelten oder sonst abgesetzten „Finger“ ergeben die bevorzugte Kompaktheit und sichern eine bestmögliche Entwärmung sowie Oberflächengröße per Volumen.
Eine Untergruppe der Fingerkühlkörper sind die Aufsteckkühlkörper. Diese haben spezielle Haltegeometrien mit integrierter Federklammer, um das elektronische Bauteil am Kühlkörper sicher und dauerhaft mit gut wärmeleitendem Halt zu fixieren. Neben dem befestigungsfreien Aufstecken, sind für eine vertikale und horizontale Leiterkartenmontage, den RoHS(Restriction of certain Hazardous Substances)-Richtlinien entsprechende lötbare Befestigungsstifte vorgesehen. Als integraler Bestandteil des Aufsteckkühlkörpers sind diese Befestigungsarten, hier besonders für die kostengünstige Einbaumontage, von Bedeutung. Aluminium- oder Kupferbänder werden durch ausstanzen und biegen in die gewünschte Form gebracht und sind eine preiswerte Lösung für geringe Kühlleistungen. Spezielle Eigenschaften der Befestigungsmöglichkeiten als integraler Bestandteil des Kühlkörpers, als auch der Bauteil/Kühlkörper-Einheit auf der Leiterkarte, erbringen eine Arbeitsersparnis bei der Bestückung der Leiterkarte, ermöglichen darüber hinaus sogar eine automatisierte Bestückung (Tape & Reel) ohne zusätzliche Montagekosten.
Aktive Entwärmungsmöglichkeiten
Entwärmungskonzepte für elektronische Bauteile und Komponenten erhalten durch das Verwenden Lüfter-unterstützter Ausführungen, den sogenannten Lüfteraggregaten, eine Effizienzsteigerung. Lüfteraggregate sind in ihrem Aufbau und Geometrie der Wärmetauschflächen, jeweils auf den entsprechenden Lüftermotor und dessen Spezifika in puncto Luftvolumen und Luftdruck abgestimmt. Sie eignen sich darüber hinaus für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen. Lüfteraggregate basieren ebenfalls auf den konvektiven Wärmeübergang. Im Gegensatz zur freien Konvektion wird hier durch die Lüftermotoren eine starke Luftbewegung erzeugt und gerichtet durch eine Wärmetauschstruktur geleitet. Nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung funktionierend, sind bei den verschiedenen Lüfteraggregatkonzepten, physikalische Gegebenheiten wie spezifische Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Baugröße, Volumen und der Preis pro abgeführte Wärmemenge zu betrachten.
Unterschiedliche Lüfteraggregataufbauten als thermisches Management und zur Lösung der Entwärmungsproblematik, sind mittlerweile in allen Bereichen der industriellen Leistungselektronik anzutreffen. Die Aluminiumgrundkörper der Aggregate als geschlossene Wärmetauschstruktur in Verbindung mit Axial-, Radial- und Diagonallüftermotoren liefern effiziente Lösungsansätze für die Entwärmung von elektronischen Bauteilen in der Leistungselektronik.
Flüssigkeitskühlung für effektive Entwärmung
Die schnellen Produktentwicklungen in der Leistungselektronik haben zu stetig steigenden Leistungsdichten bei den Halbleiterbauelementen geführt. Für Applikationen in denen keine Lüfteraggregate eingesetzt werden können, bietet sich der Einsatz von Flüssigkeiten als Kühlmedium für ein geeignetes Entwärmungskonzept an. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist zirka 4-fach höher als die von Luft. Bei der Flüssigkeitskühlung geschieht die Wärmeableitung direkt und unmittelbar am elektronischen Bauteil, welches auf ein flüssigkeitsdurchströmtes Kühlelement aufgesetzt ist.
Die Effizienz solcher Konzepte ist physikalisch, wärmetechnisch gut und leistungsfähig. Im Vergleich der Wärmeableitung zu den bereits beschriebenen Systemen, ragt die Flüssigkeitskühlung heraus. Die hohe Wärmeableitkapazität des Wasser ergibt Wärmewiderstände von kleiner 0,003 Kelvin pro Watt (K/W), im Vergleich zur Luftkühlung von zirka 0,01 K/W. Neben der wärmetechnischen Betrachtung bringt die Verwendung von Flüssigkeitskühlkörpern noch weitere Vorteile für den Anwender mit sich. Die sehr kompakte Bauweise benötigt bauartbedingt keine großen Wärmespreizflächen, da direkt am Bauteil gekühlt wird. Weiter stehen am zu entwärmenden Bauteil kein Lärm und keine Vibrationen, die beim Einsatz von Lüftermotoren gegeben sind. Ein geeignetes Rückkühlsystem für die erwärmte Flüssigkeit sowie angepasste Schlauch- und Kupplungssysteme runden das hocheffiziente Entwärmungssystem der Flüssigkeitskühlung ab.
