FISCHER ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Thomas Fischer, Geschäftsführer von Fischer Elektronik

Bild: Fischer Elektronik

Kommentar von Thomas Fischer, Fischer Elektronik Richtig umgehen mit zu viel Wärme

24.10.2016

Neben Vibrationen und Feuchtigkeit führen auch temperaturbedingte Belastungen von Elektronikbauteilen zum Ausfall elektronischer Komponenten und Geräte. Um deren Lebensdauer, Zuverlässig- und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, ist ein effektives thermisches Management unabdingbar.

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Die Langzeitstabilität und das optimale Funktionieren elektronischer Halbleiter ist das Ziel einer effektiven Entwärmung. Die verschiedenartigen Kühlkonzepte und deren Effizienz lassen sich anhand der Wärmeleitung des thermischen Pfades einer elektronischen Baugruppe evaluieren. Um die Wärmeleitung entlang des thermischen Pfades zu bewerten, sollte man den thermischen Widerstand, auch Wärmewiderstand genannt, betrachten. Bei gegebener Verlustleistung gibt dieser die Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des Wärmepfades an. Der thermische Gesamtwiderstand setzt sich zusammen aus einer Addition der einzelnen abschnittsbezogenen Einzelwiderstände des thermischen Pfades, welche der Wärmestrom überwinden muss. Der thermische Widerstand des Wärmeleitmaterials wird umso niedriger, je geringer die Schichtstärke, je höher die thermische Leitfähigkeit und je größer die Kontaktfläche des Interface-Materials.

Die richtige und optimale, wärmetechnische Kontaktierung der zu kühlenden Bauteile auf der Wärmesenke, hat maßgeblichen Einfluss darauf, die Übergangswiderstände zu reduzieren. Fertigungstechnische Belange und Toleranzen, die beim Herstellen verschiedener Wärmesenken (zum Beispiel extrudierter Strangkühlkörper) führen dazu, dass weder die Oberflächen der elektronischen Bauteile noch die der Kühlkörper (Halbleitermontagefläche) eben und glatt sind. Im Gegenteil: Oft weisen sie zum Teil erhebliche Unebenheiten in Form von Durchbiegungen und starken Rauhigkeiten auf. Je nach Größe und Geometrie der Kühlkörper liegen die Durchbiegungen in einem Toleranzbereich von einigen Zehntel bis hin zu einigen Millimetern. Bei der Kontaktierung von zwei flachen Oberflächen miteinander, wie etwa Halbleiter und Kühlkörper, beträgt die effektive Kontaktfläche ohne jegliche mechanische Nachbearbeitung nur zwei bis fünf Prozent. Je größer die zu kontaktierenden Oberflächen sind, desto mehr muss man deren Konvexität oder Konkavität berücksichtigen. Die restliche Fläche ist ein Luftpolster oder besteht aus Zwischenräumen, in denen die Luft als thermischer Isolator fungiert. Die Luft mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/m*K ist allerdings ein 7.692-mal schlechterer Wärmeleiter als das Grundmaterial Aluminium (λ = 200 W/m*K) und beeinflusst den Wärmeübergangswiderstand maßgeblich. Eine gute wärmetechnische Anbindung der elek-
tronischen Komponente auf dem Kühlkörper ist daher unerlässlich. Hierbei leisten die verschiedenen zur Verfügung stehenden Wärmeleitmaterialien, die für den jeweiligen Einsatz durchdacht ausgewählt sein sollten, gute Dienste.

Um ein der Applikation bestmöglich entsprechendes Wärmeleitmaterial zu wählen, sollte man dessen spezifischen Eigenschaften genau beachten. Maßgebliche Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind unter anderem die thermische Impedanz (Wärmeleitfähigkeit), die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), die chemische Zusammensetzung (Umweltverträglichkeit) sowie die Flexibilität (Shore Härte) und Zugfestigkeit. Darüber hinaus ist es wichtig, dass sie sich leicht handhaben lassen, alterungsbeständig sind und eine lange Lebensdauer aufweisen.

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