Die thermischen Belastungen elektronischer Halbleiterbauteile sind neben Vibration, Feuchtigkeit und Staub eine der einflussreichsten Größen für den einwandfreien Betrieb elektronischer Systeme und Komponenten. Zudem besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Temperaturstress und Lebensdauer von elektronischen Bauteilen. Die Höhe der Umgebungstemperatur, die Häufigkeit und Geschwindigkeit von Temperaturwechseln sowie die durch den Stromfluss bei höherer Leistungsdichte verursachte Temperatur in den Leitern lassen die Elektronik in den unterschiedlichsten Applikationen ausfallen. Speziell die Entwärmung von Hochleistungshalbleitern stellt so manches Entwärmungskonzept vor eine besondere Herausforderung. Die auftretenden Durchlass- und Schaltverluste erzeugen erhebliche Wärmemengen, wobei bekanntermaßen eine Überschreitung der in den Herstellerdatenblättern genannten maximalen Betriebstemperatur zu Fehlfunktionen führt. Eine Überschreitung der zulässigen Grenztemperatur kann sogar zu einer Zerstörung des Halbleiters führen. Ausgesprochen kritisch für die thermische Beanspruchung ist der spannungs- und frequenzgesteuerte Anlaufvorgang, etwa bei Drehstromumrichtern. Der zeitabhängige Temperaturverlauf ist bei diesen großen Wärmemengen ein erheblicher Faktor für die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzepts.
Hochleistungskühlkörper
Bauelemente mit großer thermischer Verlustleistung erfordern neue Konzepte geeigneter Entwärmung, vor allem wenn ein Kühlkörper für die freie Konvektion eingesetzt werden muss. Übliche Strangkühlkörper-Designs sind für diese Applikationen nicht mehr ausreichend. Speziell für die Ableitung großer Verlustleistungen konzipiert sind die so genannten Hochleistungskühlkörper. Diese gibt es sowohl für die freie als auch für die erzwungene Konvektion; sie sind die leistungsfähigste Variante der gebräuchlichen Kühlkörper. Die Kühlkörperbasis besteht aus einem stranggepressten Grundprofil, in dem zusätzlich verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen eingepresst werden. Neuartige Technologien, wie etwa das Reib-rührschweißen (Friction Stir Welding), ermöglichen es sogar, Strangpressprofile im kalten Zustand nur mit deren Eigenmasse plastisch miteinander zu verbinden. Hierdurch können Aluminiumprofile mit besonders großen Abmessungen (Kühlkörperbreiten bis 900 mm), hergestellt werden. Durch eine kannelierte Rippenstruktur wird eine Wirkungsgradverbesserung von etwa 10 Prozent gegenüber herkömmlichen Kühlkörpervarianten erzielt. Dickere Basisplatten tragen zu einer besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers bei und gewährleisten mittels angepasster Aufnahmegewinde eine solide Befestigung der Leistungshalbleiter. Die optimale wärmetechnische Montage der Leistungshalbleiter auf dem Kühlkörper wird allerdings oftmals aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung erschwert. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs, zum Beispiel für große IGBT-Module, werden nach Herstellerangaben häufig Ebenheiten von <0,02 mm gefordert, die ohne mechanische Nacharbeit presstechnisch nicht herzustellen sind. Je nach Applikation und Einbaubedingungen sollten auch die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erreichen.
Lüfterunterstützte Entwärmung
Für die Wärmeableitung größerer Verlustleistungen, bei denen die freie Konvektion nicht ausreichend und die geometrischen Abmessungen oder das Gewicht eines Hochleistungskühlkörpers unpassend für die jeweilige Applikation erscheint, ist oft der Einsatz einer forcierten Kühlung mittels Lüftermotoren (Ventilatoren) erforderlich. Ein thermisches Management mit Konzepten für die erzwungene Konvektion, den so genannten Lüfteraggregaten, ist in der Leistungselektronik eine erprobte Technik, mit der die immer größer werdenden Probleme zur Sicherstellung der Halbleiterfunktion im vorgegebenen Temperaturbereich einfach und kostengünstig eliminiert werden können. Verschiedenartige Lüfteraggregate sind in ihrem Aufbau und Geometrie der inneren Struktur (Wärmetauschflächen) jeweils auf die entsprechenden Lüftermotoren und deren Leistungsdaten, wie Luftgeschwindigkeit und -volumen, abgestimmt und dadurch sehr effektiv. Wie die Hochleistungskühlkörper basieren auch die Lüfteraggregate auf dem Prinzip des konvektiven Wärmeübergangs, nur wird hierbei im Gegensatz zur freien Konvektion durch die Lüftermotoren eine starke Luftbewegung erzeugt, die in gerichteter Form durch eine Wärmetauschstruktur geleitet wird. Bei den nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung arbeitenden Lüfteraggregat-Lösungen sind auch die physikalischen Gegebenheiten wie spezifische Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Baugröße sowie der Preis pro abgeführter Wärmemenge in Watt zu betrachten.
Die Produktgruppe der Lüfteraggregate beinhaltet neben den Miniatur- und Kühlkörper-Lüfteraggregaten für größere Verlustleistungen die so genannten modular aufgebauten Segmentlüfteraggregate. Hier werden sowohl geviertelte Kreissegmente (Strangpressprofile) als auch abschnittsweise Längselemente mit innenliegenden Rippen so zusammengebaut, dass die vom angeschraubten Lüftermotor erzeugte Luftströmung gerichtet durch diesen Rippentunnel führt. Die Halbleitermontage der zu entwärmenden Bauteile erfolgt auf den jeweiligen Segmenten, wobei diese einzelnen Segmente voneinander elektrisch isoliert werden können.
Weitere Strangprofillüfteraggregate für höhere Leistungen und der Erfordernis nach größeren Montageflächen liefern Hohlrippenlüfteraggregate, die eine vergrößerte Oberfläche dadurch erreichen, dass die innere Struktur des Aggregates aus kannelierten Hohlrippen besteht. Diese werden mechanisch, mittels spezieller Vorrichtungen und Werkzeuge, formschlüssig und wärmetechnisch optimiert in ein extrudiertes Basisprofil aus Aluminium eingepresst. Einseitig oder auch doppelseitige dicke Basisplatten sorgen für eine gute Wärmespreizung, dienen aber auch gleichzeitig als Montagefläche für die zu entwärmenden elektronischen Komponenten. Die kannelierte Hohlrippengeometrie stellt eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung dar. Die bei einfachen Glattrippen zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmenden Luft sind relativ gering. Die sich einstellende laminare Luftströmung ist somit nicht ausreichend, um die Wärme abzuführen. Mit Hilfe der berippten Oberflächenstruktur wird eine mehr turbulente Strömung erzielt, um einen besseren Wärmeübergang von den Rippen zur Luft zu erreichen. Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz ergibt eine sehr hohe Leistungsverbesserung in punkto Wärmeabfuhr. Bei erhöhter Turbulenz steigt jedoch gleichfalls der sich im Lüfteraggregat erhöhende Gegendruck, der dem Durchströmen der Luft entgegenwirkt. Hier wird eine Schwierigkeit sichtbar, welche die Lüftermotorenhersteller fordert: Eine große Wärmetauschfläche, die theoretisch die auftretende Verlustwärme verteilen und ableiten könnte, wird nicht mit der ausreichenden Luftmenge durchströmt. Leistungsstarke Axiallüftermotoren leisten in diesem Fall eine effektive Abhilfe. Axial bedeutet, dass die Luft axial angesaugt und auch axial in Richtung der Wärmetauschfläche (Rippentunnel) ausgeblasen wird. Die Vorteile dieser Lüftermotoren sind ihr hoher Volumenstrom bei mittlerem Druck, der kompakte Aufbau und der relativ günstige Preis.
Weitere Leistungssteigerungen der forcierten Konvektion erzielen Hohlrippenlüfteraggregate mittels der Verwendung von Radialventilatoren. Bei diesem Lüfterprinzip wird die Luft seitlich (radial) angesaugt und um 90° umgelenkt in Richtung der Wärmetauschstruktur ausgeströmt. Die damit zu realisierenden Hochleistungslüfteraggregate können sehr großformatig sein und besonders in der Aggregatlänge erheblich über den Abmessungen der weniger druckstarken Lüftertypen liegen. Je nach Lüfteraggregatabmessungen erzielen Luftfördermengen von bis zu 1.400 m³/h, kleinste Wärmewiderstände von unter 0,015 K/W.
Effizienter Wärmetausch mit Wabenstrukturen
Eine zusätzliche Besonderheit in der Rubrik der Hochleistungslüfteraggregate bildet die Produktgruppe der so genannten Lamellenlüfteraggregate. In Verbindung mit diesen werden oftmals Diagonallüfter eingesetzt. Bei diesen Lüftertypen wird die Luft ebenfalls axial angesaugt, jedoch erfolgt die Ausströmung diagonal, wobei durch eine konische Lüfterrad- und Gehäuseform die angesaugte Luft höher verdichtet wird und somit neben dem hohen Luftvolumen ein höherer Druckaufbau gegeben ist. Der hohe Druckaufbau ermöglicht es, Hochleistungslüfteraggregate mit einer deutlich dichteren und damit größeren Wärmetauschfläche zu erstellen. Der mechanische Aufbau der Lamellenaggregate besteht aus einem aus Einzelteilen zusammengesetzten Tubus. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten sind mit einer wabenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt, und massive Aluminiumblöcke werden zu Montageplatten zusammengefügt. In einem weiteren Arbeitsschritt wird dann die Gesamtkonstruktion in einem speziellen Prozess hartgelötet. Dieser gewährleistet, dass sämtliche Aluminiumkomponenten sowohl mechanisch als auch wärmetechnisch bestens verbunden sind. Die von den Montageplatten aufgenommene Wärme wird über die einzelnen Stegplatten an die Wabenstruktur weitergeleitet und letztendlich an die durchströmende Luft abgegeben. Die üblicherweise ganz aus Aluminium gefertigten Lamellenlüfteraggregate kann man für eine noch bessere Wärmeverteilung mit Stegplatten aus Kupfer versehen, allerdings erhöhen sich hierdurch das Gewicht und der Preis enorm, so dass derartige Effizienzsteigerungen schnell außerhalb des wirtschaftlich vertretbaren Rahmens liegen.
