Es gilt im Betrieb elektronischer Bauteile, diese in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich zu betreiben, um langfristig deren Eigenschaften zu sichern. Effiziente auf die Applikation angepasste Wärmemanagementsysteme vermeiden Fehlfunktionen einzelner Halbleiter und verhindern schlimmstenfalls deren Zerstörung. Unabhängig von der Bauteilgröße und -beschaffenheit trifft diese Tatsache auf alle Bereiche der Bauteilentwärmung in der Elektronik und vor allem in der Leistungselektronik zu. Das Aufgabengebiet der Leistungselektronik umfasst unter anderem alles, was mit der Steuerung, Umformung und dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat.
Der Ursprung der Leistungselektronik ist mit der Erfindung des ersten Gleichrichters gegeben, wobei diese nicht nur im Bereich der Leistungselektronik ihre Anwendung finden. Heutige leistungselektronische Einheiten und Systeme, wie Wechselrichter, Netzteile oder Motorsteuerungen, erzeugen im Betrieb erhebliche Wärmemengen, die es durch geeignete Maßnahmen zu eliminieren gilt. Andernfalls, ohne jegliche Entwärmungssysteme, kommt es unweigerlich zu einer Überhitzung der eingesetzten Bauteile, was schlussendlich drastische Folgen für das Bauteil oder der gesamten Baugruppe mit sich bringt. Angepasste Konzepte zur Bauteilentwärmung aus dem Hause Fischer Elektronik stellen sicher, dass die Betriebstemperaturen der verwendeten Bauteile innerhalb spezifizierter Grenzwerte langfristig bleiben. Auf die Applikation und auf die verwendeten Bauteile angepasste Entwärmungslösungen gilt es anwenderseitig auszuwählen, um die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Komponenten zu gewährleisten.
Klein, aber leistungsstark
Leistungsstarke elektronische Halbleiter sind heutzutage gleichfalls auf Leiterkarten eingesetzt und vorzufinden. Deren erzeugte Verlustleistung und die damit verbundene Wärmemenge liegt oftmals in Bereichen, die mit einer reinen passiven Entwärmung nicht mehr an die Umgebung abzuführen sind. Speziell für die Bauteilentwärmung von Leistungskomponenten auf der Leiterkarte, sind im Hause Fischer Elektronik die sogenannten Miniaturlüfteraggregate konzipiert und entwickelt worden. Miniaturlüfteraggregate der Produktserie LAM mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen eignen sich im Besonderen für die Abfuhr größerer Wärmemengen auf kleinstem Raum, können aufgrund ihrer Kompaktheit direkt auf der Leiterkarte verbaut oder befestigt werden.
Die sehr schwierig im Extrusionsverfahren herstellbaren Miniaturlüfteraggregate bestehen aus einem als Rohr ausgeformten Basisprofil mit innenliegenden Rippen. Die umliegenden Bauteilmontageflächen nehmen, die vom Bauteil produzierte Verlustwärme auf und leiten diese an die innen liegende Rippenstruktur weiter. Neben einer homogen Wärmeverteilung ist die jeweilige Geometrie der innenliegenden Wärmetauschfläche in Sachen Rippendicke, -abstand und -höhe auf den entsprechenden Lüftermotor und dessen lufttechnischen Daten abgestimmt. Der axiale Lüftermotor saugt die kältere Luft aus der Umgebung an und drückt diese in Richtung der innen liegenden Rippen durch die Kanalstruktur nach draußen. Die Montage der einzelnen Halbleiter kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Zum einen sind seitens Fischer Elektronik mittels einer zusätzlichen CNC-Bearbeitung unterschiedliche Gewindetypen in die Halbleitermontagefläche zur Bauteilbefestigung gemäß Kundenwunsch einzubringen. Andere Aggregatausführungen der Serie LAM K, ermöglichen eine Bauteilbefestigung mittels spezieller auf die Bauteile angepasster Einrast-Transistorhaltefedern (THFU). Diese werden in einer im Profil integrierten Nutgeometrie eingerastet und fixieren das Bauteil sicher, schnell und mit festem Halt auf der Halbleitermontagefläche.
Kleinste Flüssigkeitskühlkörper für die Leiterkarte
Für noch mehr Wärmeabfuhr auf der Leiterkarte, besonders für die Wärmeabfuhr kleinerer Power-Module im TO-Gehäuse, bietet Fischer Elektronik hochleistungsfähige Flüssigkeitskühlkörper im Produktportfolio. Die verschiedenen Ausführungen bestehen allesamt aus dem Material Edelstahl und wurden speziell für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen auf der Leiterkarte entwickelt und angepasst. Das Material Edelstahl bietet den gravierenden Vorteil, dass in der Flüssigkeitskette des Kühlmediums Wasser keinerlei Korrosionsschutzinhibitoren eingesetzt werden müssen, was die Handhabung in der Praxis deutlich vereinfacht. Die kompakten Flüssigkeitskühlkörper für die Leiterkarte werden im 3D-Metalldruckverfahren hergestellt und besitzen im inneren der Kühlkreisläufe eine durch künstliche Intelligenz optimierte Wärmetauschstruktur. Zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe, pro Montagefläche jeweils einer, bewirken kleinste Strömungsdruckverluste und eine ausgezeichnete thermische Performance.
Zur Veranschaulichung dient der in der Abbildung dargestellte Standardflüssigkeitskühlkörper mit der Artikelbezeichnung FLKU 10. Dieser bietet dem Anwender eine doppelseitige Bauteilmontage, thermisch gesehen bei Abmessungen von lediglich 40x10x30mm (LxBxH) eine Wärmeabfuhr von circa 670 W bei einer Temperaturdifferenz von Wassereintritt zu -austritt von 10 °C und einem normalen Betriebsdruck von 3 bar. Darüber hinaus sind die Halbleitermontageflächen auf dem Kühlkörper feinstgeschliffen, was schlussendlich zu einer sehr guten Ebenheit bei geringer Oberflächenrauheit und zu minimalen Wärmeübergangswiderständen führt. Die Befestigung des jeweiligen Flüssigkeitskühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt durch auf der Unterseite fest verpresster Lötstifte, so dass eine sichere und feste Verbindung mit der Leiterkarte zum Beispiel beim Reflow-Löten der Leiterkarte erreicht wird. Zur Befestigung der einzelnen zu entwärmenden Halbleiter enthält der Flüssigkeitskühlkörper ebenfalls die im Vorfeld angesprochene Nutgeometrie, welche direkt bei der Herstellung im Bereich der Montageflächen integriert wird.
Wie bei den Miniaturlüfteraggregaten angesprochen, ist es somit relativ einfach verschiedene Power-Module mittels unterschiedlicher Einrast-Transistorhaltefedern sicher und fest auf dem Flüssigkeitskühlkörper zu fixieren. Neben den Standardausführungen sind seitens Fischer Elektronik individuelle Gestaltungsmöglichkeiten, Materialien und Eigenschaften nach kundenspezifischen Vorgaben realisierbar.
Große Power-Module erfordern mehr thermische Performance
Die Entwärmung der wirklich großen und leistungsstarken Power-Module, erfordert gleichfalls großvolumige und leistungsstarke Entwärmungslösungen. Die sogenannten Hochleistungslüfteraggregate spiegeln in der Leistungselektronik eine erprobte Technik wieder und bieten dem Anwender effiziente Lösungsansätze. Verschiedenartige Grundaufbauten der Hochleistungslüfteraggregate, erfahren mit Hilfe von zusätzlichen Luftströmungen in Form von Axial-, Radial- oder Diagonallüftermotoren, eine signifikante Leistungssteigerung in Punkto Wärmeableitung. Im Allgemeinen bestehen Lüfteraggregate aus einem Basisprofil aus Aluminium mit einer inneren Wärmetauschstruktur und einem davor geschalteten leistungsstarken Lüftermotor. Die homogene Wärmespreizung im Gesamtsystem des Lüfteraggregates erfolgt über ein- oder doppelseitige massive Bodenplatten, welche gleichzeitig in Verbindung mit verschiedenartigen Aufnahmegewinden als Halbleitermontageflächen dienen. Standardmäßig sind die Halbleitermontageflächen der Hochleistungslüfteraggregate aus dem Hause Fischer Elektronik exakt plan gefräst und werden zum Schutz vor Kratzern oder Beschädigungen auf den sensiblen Montageflächen mittels einer Schutzfolie geschützt.
Sehr kompakte und mit einer engmaschigen Wärmetauschstruktur versehende Lamellenlüfteraggregate, stellen eine Besonderheit in der Produktgruppe der Hochleistungslüfteraggregate dar. Der mechanische Grundaufbau der Lamellenprofile besteht aus einem Tubus, welcher aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt wird. Die im inneren Luftkanal liegenden Stegplatten sind mit einer wabenförmigen Wärmetauschstruktur bestückt und massive Aluminiumblöcke werden zu Montageplatten zusammengefügt. Die Gesamtkonstruktion aller Einzelteile wird in einem abschließenden Arbeitsschritt hartgelötet und somit mechanisch als auch wärmetechnisch optimal miteinander verbunden. Die von den einzelnen Stegplatten aufgenommene Wärme wird an die innenliegende Wabenstruktur weitergeleitet und in Verbindung mit einem Lüftermotor an die im Lamellentunnel durchströmende Luft abgegeben. Das beschriebene Herstellungsverfahren ermöglicht die Herstellung von Lüfteraggregaten mit einer deutlich dichteren Wärmetauschfläche. Engmaschige Wärmetauschstrukturen erfordern allerdings ebenfalls performante Lüftermotoren, die den benötigten Staudruck liefern, um das Lüfteraggregate über die gesamte Länge mit Luft zu durchströmen. Häufig finden hierbei Diagonal- oder Radiallüftermotoren, welche einen höheren Volumenstrom und Druckaufbau liefern, ihren Einsatz.
Wasser und Elektronik verträgt sich
Eine echte Alternative zu der genannten Entwärmung mittels Hochleistungslüfteraggregat, ist durch unterschiedliche und sehr leistungsstarke Flüssigkeitskühlkörper gegeben. Flüssigkeitsgekühlte Entwärmungskonzepte sind nicht nur aufgrund der Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft, deutlich von den anderen Methoden zur Bauteilentwärmung abzugrenzen. Fischer Elektronik bietet die verschiedenartigen Flüssigkeitskühlkörper als I- oder U-durchströmte Variante an, wobei die jeweiligen Anschlüsse für das Kühlmedium nach kundenspezifischen Vorgaben, ebenso wie die Gesamtlänge, anzupassen sind. Die Verwendung des Kühlmedium Wasser, erfordert den Einsatz von Korrosionsschutzinhibitoren als Wasser-Glykol Gemisch, da die Flüssigkeitskühlkörper komplett aus einem hochwärmeleitenden Aluminiummaterial gefertigt sind.
Der innere Aufbau der Flüssigkeitskühlkörper besteht aus einer zueinander versetzten Wabenstruktur, wodurch eine homogene und flächige Durchströmung des Kühlmediums erzielt wird. Einzelne Aluminiumprofile als Seitenteile und Halbleitermontageflächen sind mit der innenliegenden Wärmetauschstruktur verbunden, gewährleisten hierdurch einen optimalen Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauelement in die durchströmende Flüssigkeit. Die Halbleitermontageflächen der Flüssigkeitskühlkörper zur Montage der Power-Module, sind im Standard plan gefräst und entsprechen den Erfordernissen zur geforderten Ebenheit gemäß der Herstellerdatenblätter. Wasser und Elektronik verträgt sich, da aufgrund der sehr hohen Verarbeitungsqualität der Flüssigkeitskühlkörper, speziellen Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, die Arten der Kopplungssysteme, als auch die geprüfte Sicherheit der Schlauchsysteme, den heutigen Stand der Technik widerspiegeln.
