FISCHER ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Kompakte und effiziente Miniaturlüfteraggregate mit kundenspezifischer CNC-Bearbeitung liefern eine gute thermische Leistung, auch auf der Leiterkarte.

Bild: Fischer Elektronik

Miniaturlüfteraggregate Entwärmen auf kleinstem Raum

27.10.2017

Elektronische Bauelemente wie Leistungshalbleiter oder Prozessoren sind in der industriellen Welt Arbeitstiere. Für die Betriebssicherheit und Lebensdauer dieser Komponenten ist ein effektives und besonders effizientes thermisches Management unabdingbar.

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Der Einsatz elektronischer Bauteile in einem vom Hersteller nicht spezifizierten Temperaturbereich führt zwangsläufig zu Fehlfunktionen oder sogar zur Zerstörung des Bauteils. Die Entwicklung von Elektronikanwendungen, bringt daher nicht nur die Auswahl passender Bauteile und Leiterkarten mit sich, sondern muss ebenfalls effiziente Entwärmungskonzepte beinhalten. Diese müssen die als Verluste entstehenden Wärmemengen effizient vom Bauteil an die Umgebung abführen. Dafür kommen oft klassische Strangkühlkörper aus Aluminium zum Einsatz.

Strangkühlkörper werden im Extrusionsverfahren hergestellt und funktionieren nach dem physikalischen Wirkprinzip der freien, natürlichen Konvektion, die durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik definiert wird. Aluminium-Strangkühlkörper aus der am häufigsten eingesetzten Legierung EN AW 6060 besitzen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Jedoch müssen in der Applikation zur Entwärmung der elektronischen Bauteile die Kühlkörper mit den Bauteilen optimal verbunden sein, um deren thermische Energie aufzunehmen und über die Oberfläche an die Umgebungsluft abzugeben. Kühlkörper brauchen allerdings Platz. Im schlimmsten Fall kann die Größe des benötigten Kühlkörpers ein kompaktes Elektronikdesign sogar verhindern.

Lüfteraggregate statt freie Konvektion

Oftmals sind es in kundenspezifischen Applikationen Restriktionen in Richtung Größe, Volumen und Gewicht des entsprechenden Kühlkörpers, die gegen eine Entwärmung mittels der freien Konvektion sprechen. Klein, kompakt und leistungsstark soll nach Kundenwunsch das thermische Management ausgelegt sein. Hier kommen Luft-unterstützende Konzepte zum Entwärmen von elektronischen Bauteilen und Komponenten zum Einsatz - sogenannte Lüfteraggregate. Diese können in verschiedenartigen Aufbauten realisiert werden. Neben Segment-, Kühlkörper-, Hohlrippen- und Hochleistungslüfteraggregaten sind besonders die kompakten Miniaturlüfteraggregate zum Entwärmen erwähnenswert.

Das Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion ist allerdings nur dann angebracht, wenn nicht einfach vorhandene Kühlkörper zur freie Konvektion durch Lüftermotoren in ihrer Leistungsfähigkeit verbessert werden. Einfach einen Kühlkörper mit einem Lüftermotor zu versehen, steigert zwar die Wärmeableitleistung je nach Luftgeschwindigkeit und Luftvolumen um bis zu fünfzig Prozent. Ist aber letztendlich nur ein Behelf, da die zur Verfügung stehende Luftmenge nicht gerichtet ist und somit nur eine geringe Oberfläche als effektive Wärmetauschfläche zur Verfügung steht.

Miniaturlüfteraggregate sind in ihrem Aufbau und in der Geometrie der Wärmetauschflächen sowie der inneren Kanalstruktur auf den jeweiligen Lüftermotor und dessen Spezifika abgestimmt. Der Grundaufbau der einzelnen Querschnitte besteht aus einem umlaufenden rechteckigen Basisrahmen in einer Materialstärke abhängig von der Größe von 2,5 bis 4,5 mm. Der Rahmen dient dabei gleichzeitig als Bauteilmontagefläche. Zur besseren Wärmeableitung der Verlustwärme des Bauteils in die innere geschlossene Kanalgeometrie, besitzen die jeweiligen vier Montageflächen zusätzlich eine nach Innen liegende Kühlrippenstruktur. Die filigrane Rippenstruktur im Innenbereich nimmt die abgegebene Wärme vom Bauteil über die Halbleitermontagefläche auf und leitet diese an die innere Luft der Kammerstruktur ab. Dadurch sind ein besserer Wärmeübergang sowie eine gute Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Wärmeableitung auf kleinstem Einbauraum gegeben.

Im Profil mittels Strangpressverfahren integrierte Befestigungslöcher, ermöglichen eine einfache und schnelle Montage der jeweiligen zum Querschnitt passenden Lüftermotoren. Die angepassten Axiallüftermotoren mit einem doppelten Kugellagersystem, welche stets die Luft in die Hohlkammerstruktur hineinblasen, befördern nun die im Kanal erwärmte Luft auf der anderen, offenen Seite des Miniaturlüfteraggregats nach draußen. Als weitere Option können die Lüftermotoren mit einem zusätzlichen Impulsausgang zur Ansteuerung, zum Beispiel einer Alarmgeberschaltung oder Überwachung der Rotordrehzahl, ausgestattet werden. Das höhere Geräuschniveau aufgrund der eingesetzten Lüftermotoren kann in vielen Fällen durch geeignete Maßnahmen wie Vorkammern, Drehzahlsteuerung oder Gestaltung der Einbauumgebung entzerrt werden.

Bauteilmontage leicht gemacht

Die Miniaturlüfteraggregate gibt es als Einkammersystem in drei verschiedenen Abmessungen bis 50 mm x 50 mm oder als Doppelkammersystem ebenfalls in drei Abmessungen bis zu 100,5 mm x 50 mm. Die kompakten Varianten ermöglichen einen direkten Einsatz beziehungsweise Verbau auf der Leiterkarte. Zum Befestigen auf der Leiterkarte können dafür eingebrachte Gewindebohrungen oder spezielle Befestigungswinkel an den Stirnseiten verwendet werden. Auch eine Lötbefestigung mittels einschraubbarer Lötstifte ist für das komplette Lüfteraggregat gegeben.

Die vier umlaufenden, seitlichen Halbleitermontageflächen, besitzen durch das Strangpressen eine Ebenheit von 0,1 mm, was in Anbetracht der Komplexität und Schwierigkeit dieser Hohlkammerprofile einen guten Wert darstellt. Für den Endanwender ergibt sich hierdurch ein Vorteil, da die so entstandenen Halbleitermontageflächen nicht mehr zusätzlich beziehungsweise nachträglich plangefräst werden müssen. Die Befestigung der unterschiedlichen Halbleiter erfolgt entweder über die klassische Schraubmontage oder ein spezielles Einrastsystem mittels Einrast-Transistorhaltefeder.

Die Schraubmontage bedarf einer zusätzlichen mechanischen CNC-Bearbeitung, in der unterschiedliche Gewindetypen und -tiefen, aber auch Ausfräsungen jeglicher Form nach kundenspezifischen Zeichnungsvorgaben eingebracht werden. Vorsicht ist allerdings geboten, wenn Gewinde benötigt werden, dessen Gewindetiefe größer ist, als die zur Verfügung stehende Materialstärke der Halbleitermontagefläche. Hierbei wird folglich in die innenliegende Rippenstruktur gebohrt, welches einen ungewünschten Grat an den einzelnen Kühlrippen hervorrufen kann. Um eine eventuelle Kontaktierung von Aluminiumspänen mit der Elektronik im Betrieb zu vermeiden, kommt ein speziell entwickeltes Entgratwerkzeug zum Einsatz. Dadurch wird sämtliche Gratbildung, auch im inneren Bereich, abgestochen beziehungsweise entfernt und vermieden.

Alternative Ausführungen der Miniaturlüfteraggregate der Serie LAM K von Fischer Elektronik enthalten in den seitlichen Halbleitermontageflächen eine spezielle Nutgeometrie. Sie gewährleistet mittels besonderer Einrast-Transistorhaltefedern eine sichere und schnelle Montage unterschiedlicher elektronischer Komponenten. Die Befestigung der Bauteile mittels verschiedener Federklammergeometrien und des dadurch erreichten Anpressdruck, liefert gleichfalls einen besonders guten Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und dem Kühlelement.

Die universellen Einrast-Transistorhaltefedern THFU 1-7 sind für die Transistorbauformen TO 218, TO 220, TO 247, TO 264 und diverse SIP-Multiwatt sowie lochlose Leistungstransistoren geeignet. Grundsätzlich können Kunden zwischen zwei Montagearten unterscheiden. Bei der ersten Montageart wird die Einrast-Transistorhaltefeder in die dafür vorgesehene Nut des Profils eingelegt und anschließend wird der Transistor unter die Feder eingeschobenen. In der zweiten Montagevariante wird der Transistor auf die Montagefläche gelegt und in einem zweiten Schritt die gewünschte Einrast-Transistorhaltefeder in die vorgesehene Nut des Profils eingedrückt. Nach der Montage hält die Feder unverrückbar in ihrer Position und fixiert mit hohem Anpressdruck den Transistor auf der Montagefläche. Die Feder bleibt in ihrer Position in Längsrichtung unverschiebbar - ein herausfallen in Querrichtung ist somit nicht möglich.

Gefragt sind Miniaturlüfteraggregate

Die aufgezeigten Miniaturlüfteraggregate als thermisches Management und zur Lösung der Entwärmungsproblematik von elektronischen Bauteilen, besonders auf der Leiterkarte, sind mittlerweile in allen Bereichen der industriellen Leistungselektronik anzutreffen. Die Erfordernisse des thermischen Managements müssen immer wieder neu auf Trends in der Elektronik abgestimmt werden. Besonders die schnellen Entwicklungszyklen, zunehmende Produktvielfalt, geringer werdende Produktionsmengen und zunehmende Produktkomplexität lassen wenig Zeit für individuelle Lösungen. Daher sind Standard-Miniaturlüfteraggregate mehr und mehr gefragt, weshalb die Angebote umfangreich und differenziert sind. Aufgrund der Wettbewerbsproduktentwicklungen und den größer werdenden Leistungsdichten, stehen für den Anwender Auswahlkriterien wie Preis-Leistung und Kompaktheit im Vordergrund.

Bildergalerie

  • Verschiedenartige Einrast-Transistorhaltefedern gewährleisten einen guten Anpressdruck und damit sicheren Halt der elektronischen Bauelemente.

    Bild: Fischer Elektronik

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