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Stromversorgung & Leistungselektronik Nicht kurzsichtig agieren 
beim Entwärmen!

01.10.2014

Im Zuge des zunehmenden Einsatzes von Halbleitern, insbesondere auch von Leistungshalb- leitern, müssen sich Entwickler verstärkt mit dem Thema Entwärmung auseinander setzen. Dabei sollten sie geeignete Wärmeleitmaterialien gut überlegt wählen – und nicht nur die Materialkosten im Blick haben.

Einerseits erfordern hohe Leistungsdichte und heutige Qualitätsstandards eine optimale und prozesssichere Entwärmung von Leistungsmodulen. Wie jeder Entwickler weiß, führt eine zu hohe Temperatur zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer und im schlimmsten Fall auch zur Zerstörung des Halbleiters. Dabei können Kühlkonzepte nur dann erfolgreich wirken, wenn eine effiziente thermische Anbindung zwischen Leistungshalbleiter und Kühlelement erreicht wird. Andererseits zwingen immer kürzere Innovations- und Produktlebenszyklen Unternehmen ihre Organisation und ihre Prozesse zu optimieren. Die Marketiers wollen schnellstmöglich das neueste und beste Produkt, die Entwickler die intelligenteste Elektronik mit den besten Komponenten, die Einkäufer den niedrigsten Preis – und die Produktion muss alles ausbaden. Zu allem Überfluss soll das Endprodukt die vorgegebene Leistung liefern und am besten ewig leben. Die Folge davon ist, dass Produkte, die beim Endkunden ausfallen, hohe Folgekosten verursachen (zum Beispiel in der Automobilindustrie bis zum 30-fachen des Produktpreises plus Analysekosten, Ersatz und Logistik). Ganz zu schweigen vom Imageverlust für das eigene Unternehmen. Fällt dann ein Produkt beim Kunden aus, weist die Fertigung alles von sich, weil das Design und die Vorgaben aus der Entwicklung kommen und die finale Auswahl der Bauteile der Einkauf bestimmt.

Der Einkauf hat die Maßgabe, alle Zukaufteile zum möglichst geringen Einkaufspreis zu erstehen. Allzu häufig wird dabei nur auf den Einzelpreis und nicht auf die Folgekosten für die Logistik, einen potentiell hohen Aufwand in der Produktion beziehungsweise auf mögliche Folgekosten durch Regressansprüche von enttäuschten Kunden geachtet.

Nur auf den ersten Blick günstig

Die Entwicklung ihrerseits hat schon immer gewusst, dass der vordergründig „günstige“ Weg am Ende doch ein ganzes Stück teurer werden kann. So werden beispielsweise billige Galertmassen zur Entwärmung eingekauft, deren sichere Entwärmungsfunktion während des Produktlebenszyklus, gerade bei Leistungshalbleitern, häufig Probleme machen kann. In der Fertigung bedarf dieses Material einer aufwendigen und kostenintensiven Spendetechnologie mit entsprechendem Wartungsaufwand. Aber diese Kosten haben ja nichts mit dem Endprodukt zu tun – zumindest für den Einkauf?! Im Spannungsfeld zwischen Kostenoptimierung und Produktqualität neigt der eine oder andere dazu, an der verkehrten Stelle zu sparen. Ein frühzeitiges Beratungsgespräch mit einem kompetenten Wärmemanagement-Spezialisten kann an dieser Stelle weiterhelfen. Sowohl für die Auswahl eines möglichst kostengünstigen Wärmeleitmaterials als auch für das Applizieren einen zuverlässigen Entwärmungsproduktes in der Fertigung.

Ein Beispiel aus der Praxis: Bei größeren Oberflächen wie bei IGBTs wird zur Kompensation der Konvexität beziehungsweise Konkavität üblicherweise die Auflagefläche auf dem Kühlkörperprofil mechanisch optimiert, da die zur Verfügung stehenden Entwärmungsmethoden größere Abstände nicht ohne höheren Kostenaufwand überbrücken können.

Wärme sicher abführen

Um IGBTs zu entwärmen, gibt es zum Beispiel passende Zuschnitte eines Phase-Change-Materials für alle gängigen Gehäuseformen. Dieses Material passt sich ideal an die Oberflächen des IGBTs und des Kühlkörpers an, verdrängt jegliche Lufteinschlüsse und sorgt damit für die sichere Entwärmung über die Lebensdauer des Bauteils. Es wird in der Regel der geringstmögliche Wärmeübergangswiderstand erzielt. Es gibt kein Pump-Out, blutet nicht aus und behält seine zuverlässige thermische Anbindung. Die passenden Zuschnitte sind einfach zu applizieren – sowohl maschinell als auch manuell. Für die Fertigung bedeutet dies neben der Prozesssicherheit eine hohe Kosteneinsparung.

Das Wärmemanagement in der Leistungselektronik wird auch in Zukunft einen sehr hohen Stellenwert einnehmen. Gerade viele Zukunftstechnologien stellen hohe Anforderungen an die Entwärmung von Baugruppen. Die zunehmend höhere Leistungsdichte bei gleichzeitig geringeren Abmessungen der Geräte verlangt außerdem immer spezifischere Lösungen. In vielen Anwendungsgebieten sind Wärmeleitmaterialien zwingend notwendig. Dazu gehören Wechselrichter, High-Power-LEDs, elektrischen Energiespeicher für E-Cars und LEVs (Light Electric Vehicles) sowie Power Control Units.

Wenn Unternehmen der Leistungselektronik Wärmeleitmaterialien wohl überlegt auswählen, können sie die Qualität ihrer Produkte verbessern. Und im gesamten Entstehungsprozess eines Produktes auch Kosten sparen.

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