Geeignete Kühlkörper und deren mechanische Bearbeitung für eine richtige und gut wärmeleitende Montage der Bauteile auf dem Kühlelement haben einen wesentlichen Anteil an der sicheren Halbleiterfunktion, betont Jürgen Harpain von Fischer Elektronik. Der optimale Wärmeübergang ist immer ein wesentlicher und nicht zu vernachlässigender Faktor für eine gute thermische Funktionalität.
Grundsätzlich gilt: Für jede Temperaturerhöhung um 10 °C reduziert sich die anzunehmende Lebensdauer elektronischer Bauteile und Systeme um ungefähr 50 Prozent. Die Summe aller Vorteile stranggepresster Aluminiumprofile wie relativ geringe Stück- und Profilwerkzeugkosten, einfache Prototypenherstellung, gute thermische Leitfähigkeit des Grundmaterials, relativ geringes Gewicht, guter thermischer Widerstand sowie die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Varianten machen Kühlkörper zu einem effizienten und attraktiven Hilfsmittel, um Wärme abzuführen. Mechanische Kriterien und Toleranzen für Strangpressprofile (Extrusionsprofile) sind besonders bei der Verwendung in der Gesamtkonzeption zu berücksichtigen, da das Herstellungsverfahren und auch die dadurch erreichbaren Toleranzfelder internationalen Normen unterliegen.
Knetlegierungen
Oft ist der Kühlkörper eine im Gerät verbaute Komponente, die man stets in Zusammenhang mit anderen Bauteilen sehen muss. Derartige extrudierte Kühlkörper bestehen aus Knetlegierungen: Beim Umformen wird das erwärmte Aluminiummaterial durch eine Matrize, mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ, gepresst. Die verwendeten Legierungen enthalten überwiegend Aluminium, Magnesium und Silizium und werden in Europa als EN-AW-Legierung bezeichnet (EN: Europäische Norm, AW: Aluminium Wrought).
Die Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung erschweren eine optimale wärmetechnische Kontaktierung bzw. Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper erheblich. Um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten, zum Beispiel für große IGBT-Module, sind nach Herstellerangaben häufig Ebenheiten von <0,02 mm gefordert. Die beim Strangpressverfahren auftretenden hohen Verformungskräfte bedingen entsprechend hohe Toleranzen der Profile, die ohne mechanische Nacharbeit (Fräsen) nicht zu minimieren sind. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit lassen sich gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung erreichen.
Die zugrunde liegenden DIN-Normen lassen ein Plus/Minus-Toleranzfeld, je nach Größe des Profils, von wenigen Zehntel- bis zu etlichen Millimetern zu. Hierbei sind nicht nur die Länge, Breite und Höhe des Profils zu betrachten, auch die Winkelabweichung (Neigung), Verwindung und Planparallelität sowie die Wanddickentoleranz oder Wölbung (konvex/konkav) des Querschnittes sind wichtige Beurteilungsaspekte. Profile mit einem eingeschränkten Toleranzfeld kann man nach sorgfältiger Absprache mit dem Kühlkörperhersteller, je nach Profilquerschnitt, herstellen. Dies führt allerdings durch den geringeren Durchsatz pro Zeiteinheit beim Strangpressen häufig zu erheblichen Mehrkosten.
Neben den genannten Kriterien sollte man bei einer frästechnischen Bearbeitung zusätzlich darauf achten, dass im Montagebereich des zu entwärmenden Bauteils keine Fräskanten oder sogar Fräsabsätze vorhanden sind. Diese entstehen dann, wenn die Kühlkörperbodenfläche, überwiegend Halbleitermontagefläche, breiter bzw. größer ist als die verwendeten Fräswerkzeuge. Um dieses zu vermeiden, sollte man spezifische Angaben über den Montagebereich (Position, Bauteilgröße, Ebenheit) schon bei der Zeichnungserstellung berücksichtigen. Auch die Positionierung der Befestigungsbohrungen für die Montage der elektronischen Bauelemente ist eine Analyse wert. Halbleiterhersteller geben beispielsweise bei Power-Modulen wie IGBT und Solid State Relais oft auch das Anzugsdrehmoment der Schraubbefestigung vor. Diese Festigkeitswerte sind, je nach verwendeter Aluminiumlegierung, nicht immer einfach erreichbar. Bei zu dünner Bodenstärke lassen sich keine DIN-gerechten Gewindetiefen in den Kühlkörperboden einbringen. Bei dickeren Bodenstärken sind die Vorgaben oftmals materialbedingt gleichermaßen nicht einzuhalten. Hierfür bieten spezielle Drahtform-Gewindeeinsätze (Helicoil) sehr gute Lösungsmöglichkeiten für ein stark belastbares Normgewinde mit hohen Scherfestigkeiten.
Optimaler Wärmeübergang
Die Anbindung des zu entwärmenden Bauteiles an die Wärmesenke ist besonders wichtig, da bei einem schlechten Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper, die Wärmeleitung, der Wärmedurchgang, reduziert und die Bauteiletemperatur deutlich erhöht wird. Dadurch kann die Funktion eingeschränkt werden, auch ein unkontrollierter Temperaturanstieg bis zur Zerstörung ist möglich. Der optimale Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlkörper lässt sich nur dann erreichen, wenn die durch Fertigungsprozesse unvermeidlichen Toleranzen, Unebenheiten und Rauigkeiten der zu verbindenden Oberflächen egalisiert, und Lufteinschlüsse, die den Wärmetransport behindern, vermieden werden.
Bei einer spanabhebenden Bearbeitung eines Kühlkörpers, zum Beispiel durch Konturfräsen, Einbringen von Bohrungen oder Schneiden von Gewinden, gelten üblicherweise die Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768 mit der Toleranzklasse mittel (m) – wenn in der Zeichnung nicht anders angegeben. Wird aufgrund der Unebenheiten die Bodenfläche, die Montagefläche für elektronische Bauteile, plangefräst, ist zu beachten, dass sich angegebene Gewindetiefen reduzieren können, da gleichfalls durch den Materialabtrag die Bodenplatte des Kühlkörpers dünner wird.
Wenn bei Planfräsarbeiten fertigungsbedingt der Fräserdurchmesser kleiner ist als die zu fräsende Fläche, werden durch paralleles Fräsen so genannte Fräskanten sichtbar. Hierbei handelt es sich um Kanten im Tausendstel-, maximal im Hundertstel-Millimeterbereich, die eventuell einen Einfluss auf die Funktion des Wärmeüberganges oder der Montage haben können.
Sollen diese Fräsbahnen nicht sichtbar sein, ist es zweckmäßig, in der Zeichnung Bereiche anzugeben, in denen keine Fräskanten gewünscht sind. Die gegebenen Erläuterungen legen dar, dass ein Zu- und Einordnen von Press- und Fertigungstoleranzen durchaus unproblematisch ist, wenn man die vorhandenen Möglichkeiten der Einflussnahme kenntnisreich nutzt. Eine detaillierte Zusammenstellung der Kühlkörperauswahlkriterien, bezogen auf den jeweiligen Einsatzbereich, ermöglicht darüber hinaus, Kosten und Lieferzeiten zu reduzieren.
Oberflächenanforderungen an den Korrosionsschutz oder auch an das dekorative Aussehen, haben einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmeableitung eines Kühlkörpers. Für Aluminiumkühlkörper sind anodisierte (eloxierte) Oberflächen, unabhängig von ihrer Einfärbung, sinnvoll. Neben der bekannten Korrosionsschutzwirkung anodisierter Oberflächen erfolgt bei der Aufbringung solcher Oxidschichten (12 bis 15 µm) eine Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich. Infolgedessen erhält der Kühlkörper bei freier Konvektion eine um acht bis zehn Prozent verbesserte Wärmeableitung.
Beschaffenheit der Oberfläche
Bei der richtigen Auswahl eines Kühlkörpers, kann neben der Funktionalität der mechanischen Gegebenheiten, auch die Oberflächenbeschaffenheit ein wichtiges Kriterium sein. Ein äußeres dekoratives Erscheinungsbild und auch wärmetechnische Relevanzen sind dabei kein Ausschlussmerkmal. Die Wärmeableitung bei Kühlkörpern erfolgt in der Regel nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung durch freie Konvektion. Diese ist stets mit dem Transport von Teilchen verknüpft, die thermische Energie mitführen. Die Erwärmung erzeugt bei den an den Flächen angelagerten und umgebenden Luftmolekülen einen Konvektionsauftrieb, weshalb sie an der erwärmten Oberfläche aufsteigen und die Wärme ableiten.
Für die erzwungene Konvektion, durch den Einsatz mit bewegter Luft (Ventilatoren), wird dieser Prozess je nach Kühlkörperkontur, bis zu mehr als Faktor 10 verstärkt. Den physikalischen Zusammenhang von Wärmeableitung, Wärmestrahlung und Emissionsfaktor zeigt die Formel Q = ε σ A T4 (Q = Strahlungsleistung, ε = Emissionsgrad 0,55 (für Aluminium schwarz anodisiert), σ = Boltzmann-Konstante, A = Oberfläche des strahlenden Körpers, T = Temperatur des strahlenden Körpers (in Kelvin)).
Die Komplexität aller mechanischen und wärmetechnischen Zusammenhänge eines bestmöglichen Entwärmungskonzeptes für die jeweilige Applikation zu berücksichtigen ist nicht trivial, da unterschiedlichste Randbedingungen eine Rolle spielen.
Hier gilt es, Beachtung und Auswahl der relevanten Aspekte zur stabilen Sicherstellung der Halbleiterfunktion mit dazugehöriger Lebensdauerverlängerung gegen die Mehrkosten abzuwägen. Nimmt man eine umfangreiche Beratung durch einen Kühlkörperhersteller in Anspruch, sichert das geeignete
Lösungen.
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