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Technische Artikel

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Wärmemanagement von Elektronik-Baugruppen

EN FR BR RU Schlagwörter: Wärmeleitprodukte

Die meisten Elektronikbauteile besitzen eine geringe Leistungsaufnahme und erzeugen somit nur sehr wenig Verlustwärme im Betrieb. Andererseits erzeugen Bauteile wie Leistungstransistoren, CPUs und Leistungsdioden eine ganz erhebliche Abwärme und machen es somit unumgänglich, die anfallende Verlustwärme abzuführen, um so die Lebensdauer dieser Bauteile zu verlängern und den fehlerfreien Betrieb der Baugruppe sicher zu stellen. Betrachten wir ein Wärme erzeugendes Bauteil, einmal isoliert von anderen Einflüssen, so wird es sich im Betriebszustand solange erwärmen, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der erzeugten und der an die Umgebung abgegebenen Menge an Energie einstellt. Die Höhe des sich einstellenden Energieflusses folgt den von Newton definierten physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Hierin beschreibt er, dass die Höhe des Wärmestroms direkt proportional der bestehenden Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke (hier Bauteil und Umgebung) ist.

Wenn die Bauteiltemperatur steigt wird sich der Wärmestrom verstärken und im gleichen Zeitraum mehr Energie an die Umgebung abgegeben. Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein.

Diese Temperatur könnte hoch genug sein, um die Lebensdauer des Bauteils erheblich zu verkürzen oder im schlimmsten Fall sogar zu einem Ausfall zu führen. Bevor ein solcher Fall eintreten kann sind unbedingt Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Diese können sich auf einzelne Bausteine, aber auch auf die komplette Baugruppe beziehen.

Der Grad der Wärmeabfuhr steigt, wenn eine künstliche Luftströmung erzeugt wird, an Stelle stehender Luft. So ist der Einbau eines Ventilators zur Erhöhung der Luftströmung ein möglicher Weg, um die Temperatur der Elektronikbausteine in den Griff zu bekommen. Ebenso kann eine generell verbesserte allgemeine Kühlung/Ventilation des Raums eine Möglichkeit zur Kühlung sein. Gerade wenn die Baugruppe nicht ventilierbar ist. Ein Punkt, der leicht übersehen wird, ist der Umstand, dass Luft geringeren Luftdrucks, z.B. in großer Höhe, die Wärmeenergie weniger effektiv transportieren kann und sich so eine höhere Temperatur einstellt.


Die Wärmeenergie wird von den die Verlustwärme erzeugenden Komponenten über die in Kontakt stehenden Oberflächen an die Umgebung abgegeben. Der Energiefluss erhöht sich mit der Kontaktfläche und der thermische Widerstand fällt geringer aus. Eine Temperaturverringerung lässt sich somit durch eine künstliche Vergrößerung dieser Kontaktfläche erzielen, wie es z.B. durch die Verwendung von gerippten Kühlkörpern geschieht. Kühlkörper bestehen in der Regel aus Aluminium, Kupfer, Federbronze und Stahlblechen, auch Keramiken wie Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid gewinnen z.B. zur Entwärmung von LED an Bedeutung. Die Oberflächen der Kühlkörper werden oft schwarz eloxiert. Im Stranggussverfahren hergestellte Kühlkörperprofile aus Aluminium, welche nach Bedarf zugeschnitten werden, sind eine preiswert herstellbare Massenware. Durch den Einsatz einer Zwangsbelüftung läßt sich aus dem passiven Kühlkörper ein wesentlich effektiverer aktiver Kühlkörper machen.

Es ist physikalisch unmöglich, die Kontaktflächen von Elektronikkomponente und Kühlkörper absolut eben und plan aufeinander passend zu fertigen. Wenn die Flächen zusammen gebracht werden, bilden sich "erhabene" Kontaktstellen und mit Luft gefüllte Lücken zwischen den Flächen aus. Luft ist ein sehr schlechter Wärmeleiter. Somit erhöht sich durch diesen Übergang der thermische Widerstand sehr stark. Dieses Problem läßt sich durch das Auffüllen dieser Lücken durch z.B. eine Wärmeleitpaste abmildern.

Wärmeleitende Materialien sind so designed, dass sie die bestehende Lücke zwischen Bauteil und Kühlkörper auffüllen und so den thermischen Widerstand dieses Übergangs verringern. Dies führt zu einem besseren Abfluss der Verlustwärme und somit stellt sich eine geringere Temperatur des Bauteils ein. Wärmeleitende Materialien können von verschiedenster Art sein. Electrolube stellt verschiedene Wärmeleitpasten her. Diese bestehen aus mineralischen Füllstoffen in einem Trägeröl (Silikonöl oder silikonfreies Öl). Silikonhaltige Pasten, wie Electrolube´s HTS und HTSP, sind generell auch bei höheren Temperaturen einsetzbar, als die silikonfreien Pasten, wie Electrolube´s HTC und HTCP. Migrierendes Silikon kann zu Kontaktproblemen an elektrischen Kontakten führen. Es ist möglich Wärmeleitpasten zu modifizieren und sie beispielsweise höher mit wärmeleitenden Partikeln zu beladen oder Mineralstoffe anderen Typs zu verwenden. Electrolube´s "P"-Versionen der Wärmeleitpasten besitzen einen höheren Anteil an Wärmeleitpartikeln spezieller Mischung.

Wärmeleitpasten bleiben als solche auch pastös. Dies erleichtert die Demontage, z.B. zur Reparatur. Allerdings könnte eine aushärtende Paste in gewissen Fällen durchaus gewünscht sein. Electrolube´s TCOR und TCER sind sind sogenannte RTV (room temperature vulcanising - bei Raumtemperatur vernetzend) gefüllt mit einem Gemisch von mineralischen Wärmeleitpartikeln und unter Aufnahme von Luftfeuchtigkeit zu einem flexiblen Gummi vernetzend. Electrolube´s TBS (thermal bonding system) ist ein 2K-Epoxid, gefüllt mit Wärmeleitpartikeln, welches zu einem festen und sehr gut haftenden Endprodukt aushärtet. So kann der Kühlkörper problemlos auf das Bauteil geklebt werden. Im Fall einer späteren Demontage könnte dies dann ein Problem sein. In jedem Fall ist es bei der Aufbringend von Wärmeleitprodukten zwingend erforderlich alle Lufteinschlüsse zu füllen. In der Regel wird im mittleren Bereich eine genügend große Menge an wärmeleitendem Material aufgebracht und so verdrückt, dass es unter Verdrängung der eingeschlossenen Luft zu den Rändern hin verfließt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Flächen parallel zueinander bewegt werden. Die Materialmenge ist zu kontrollieren. Lieber etwas mehr, als zu wenig verwenden.

Es ist möglich, bei Kenntniss der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials und der gegebenen Geometrie (Größe der Kontaktfläche und mittlere Dicke der aufgebrachten Schicht) den ungefähren Wärmeleitwiderstand des Systems zu bestimmen und dann die sich in etwa einstellende Temperatur des Halbleiters. Hierzu bedarf es der Kenntnis der Verlustleistung und der Wärmeleistung, welche der Kühlkörper abzugeben in der Lage ist, wieder abhängig von den sich einstellenden Temperaturen.

Eine weit verbreitete Lösung von Entwärmungsproblemen ganzer Baugruppen kann auch der komplette Verguss dieser Baugruppe sein. So wird die Verlustwärme über eine mit Wärmeleitpartikeln gefüllte Vergussmasse verteilt und an das Gehäuse, z.B. aus Metall, abgegeben. Electrolube produziert eine Reihe sogenannter Vergussmassen mit moderater bis hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit. Am gebräuchlichsten sind hier 2K-Epoxide, wie Electrolube´s ER2074 und ER2183. Noch einmal, es ist wichtig sicher zu stellen, dass es beim Verguss zu keinen Lufteinschlüssen kommt. Dies würde eine Erhöhung des thermischen Widerstands bedeuten. Sollte nur eine geringere Wärmeableitung erforderlich sein, so kann es ausreichen, eine Vergussmasse mit geringerer spezifischer Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, wie beispielsweise ER2188. Die mineralischen Füllstoffe in den Vergussmassen besitzen eine höhere Wärmeleitfähigkeit, als das Basismaterial selbst. Allerdings erhöhen die Füllstoffe die Viskosität und somit das Risiko des Einschlusses von Luft.

Andere Methoden der Wärmeableitung sind die Verwendung von Kühlkörpern, die eine integrierte Wasserkühlung enthalten. Durch die höhere spezifische Wärme des Mediums Wasser läßt sich die Verlustwärme noch besser ableiten. So kann eine schnellere und effektivere Entwärmung realisiert werden. Dies ermöglicht die Erhöhung der Verlustleistung der Baugruppe bei gleichem Entwärmungskonzept, und/oder bringt andererseits eine Verlängerung der Lebensdauer der Baugruppe, auf Grund der geringer ausfallenden Erwärmung, mit sich. Die Verwendung von Peltier Elementen ist auf Grund ihres nur sehr geringen Wirkungsgrads eine eher exotische Methode, die allerdings überall dort, wo beispielsweise bewegte Ventilatoren nicht einsetzbar sind, ihre Berechtigung hat. Aber egal, welche Methode der Entwärmung Verwendung findet, in jedem Fall werden Wärmeleitmaterialien benötigt, die eine hochwertige und möglichst gut handhabbare thermische Kopplung über die gesamte Lebensdauer der Baugruppe hinweg garantieren.

Die fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik Fertigung bringt es mit sich, dass Entwärmungsprobleme an Bedeutung gewinnen. Eine Verbesserung der Wärmeableitung bedeutet neben der längeren Lebensdauer auch eine Erhöhung der Ausfallsicherheit.

Dr. John Humphries