07.01.2016

Warum sich K√ľhlung lohnt - w√§rmeleitende Produkte f√ľr die Elektronik

Die Lebenserfahrung zeigt, dass gek√ľhlte Lebensmittel l√§nger frisch bleiben. Das gilt im √ľbertragenen Sinne auch f√ľr die Lebensdauer von elektronischen Ger√§ten. Denn bei h√∂heren Temperaturen wird die Wirkung von Abbauprozessen immer bedeutsamer. Wie Entwickler die beste W√§rmemanagement-L√∂sung f√ľr ihre Anwendungen finden, wird diesem Beitrag erl√§utert.



Autor: Gerald Friederici, CMC Klebetechnik


Eine Faustregel aus der Elektronik besagt: 10¬įC Temperaturreduktion bedeuten eine Verdopplung der Lebensdauer (MTBF). Hat also ein Ger√§t z.B. bei 100¬įC Betriebstemperatur eine Lebensdauer von einem Jahr, hat es nach dieser Faustformel bei 70¬įC eine deutliche l√§ngere Lebensdauer von 8 Jahren. Dieser Vergleich macht deutlich, welche vorrangige Bedeutung die Betriebstemperatur eines Bauteils auf seine Lebensdauer hat. Beispielhaft: Lebensdauer bis zum statistischen Ausfall

bei 100¬įC ‚Äď angenommen: nach einem Jahr
bei 70¬įC - rechnerisch erst nach ca. 8 Jahren


Vor allem in der Leistungselektronik ist die innere Wärmeentwicklung ein wichtiger Faktor, weswegen ein Bauteil vorzeitig versagen kann. Darum spielt die ausreichende Entwärmung eine bedeutende Rolle in der Konstruktion elektronischer Komponente und Geräte.



Der W√§rmepfad ‚Äď Reihenschaltung von Widerst√§nden

Diese ‚ÄěEntw√§rmung‚Äú folgt einem so genannten W√§rmepfad, der am Entstehungsort der W√§rme beginnt und dort endet, wo diese (meistens) an die Umgebungsluft abgegeben wird. Das bedeutet konkret: vom Halbleiterkristall √ľber die interne Struktur des Halbleiterbauteils (Die) bis zu der (meistens metallischen oder heute auch keramischen) Geh√§use-Abschlussfl√§che.


Ab hier beginnt der f√ľr den Entwickler durch konstruktive Ma√ünahmen beeinflussbare Bereich. Denn nun entscheiden verwendete Materialien und Verfahren dar√ľber, wie hoch der weitere thermische Widerstand bis zum K√ľhlk√∂rper ist. W√§rme flie√üt stets von einem h√∂heren Niveau zu einem niedrigeren.


Das hei√üt, ein ‚ÄěStrom‚Äú von W√§rme bewegt sich von der Quelle zu einer Senke. Die Geschwindigkeit, mit dem die W√§rme transportiert wird, ist ein Ma√ü daf√ľr, wie gro√ü der Widerstand gegen den W√§rmestrom ist. Die W√§rmeleitf√§higkeit von Materialien ist eine materialspezifische Kennzahl mit der Einheit W/m*K (richtiger w√§re eigentlich: W * m/(m¬≤ * K), ein ‚Äěm‚Äú wird weggek√ľrzt).


Diamant erreicht bis zu 15.000 W/m*K, Kupfer liegt bei etwa 400 W/m*K und die meisten Kunststoffe bei 0,1 bis 0,4 W/m*K. Echte Isoliermaterialien wie Styropor liegen noch weit darunter. Bei dieser Gegen√ľberstellung erkennt man schon, warum f√ľr K√ľhlfl√§chen meistens Aluminium oder Kupfer verwendet wird. Denn Kunststoffe sind im Allgemeinen schlechte W√§rmeleiter.



Etwas Theorie zum Wärmepfad

Im Prinzip stellt jedes Material einen Widerstand dar, der den W√§rmestrom hemmt. Er ist ein Ma√ü daf√ľr, welche Temperaturdifferenz beim Hindurchtreten eines W√§rmestroms entsteht.

őĒT=Rth* QŐáv

Sofern die durchstr√∂mte Fl√§che und das Material homogen sind, kann man den W√§rmewiderstand mittels des materialspezifischen Kennwerts őĽ berechnen.

Rth= l/(őĽ*A)

In der Praxis handelt es sich meist um mehrere W√§rmewiderst√§nde, durch die der W√§rmestrom hindurchtreten muss. F√ľr einen Transistor, der galvanisch getrennt von dem K√ľhlk√∂rper montiert ist, ergibt sich also der folgende W√§rmepfad incl. der W√§rme√ľbergangswiderst√§nde:

Rth(die) - Rth(Geh√§use-Isolator) - Rth(Isolator) - Rth(Isolator-K√ľhlk√∂rper) - Rth(K√ľhlk√∂rper-Luft) = Rth gesamt

Die Analogie zum elektrischen Widerstand am Beispiel einer Stromquelle und einer Gl√ľhbirne ist gut zu erkennen:

Rel(Anschlussklemmen) - Rel(Draht) - Rel(Lampenfassung) - Rel(Gl√ľhbirne) = Rel gesamt


W√§hrend bei dem elektrischen Stromkreis ein Spannungsabfall √ľber die Reihenschaltung der Widerst√§nde erfolgt, entsteht im W√§rmestrompfad eine Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke (K√ľhlk√∂rper). Umso h√∂her der Widerstand, desto h√∂her f√§llt diese Differenz aus, desto schlechter wird das Bauteil entw√§rmt.



Der Wärmewiderstand und seine praktische Bedeutung

Wie man an der Formel

Rth= l/(őĽ*A)

erkennen kann, ist der W√§rmewiderstand neben dem verwendeten Material (őĽ) von der Dicke und der Fl√§che abh√§ngig. Rechnet man diese Formel aus, erh√§lt man als Einheit K/W. In einer konkreten Einbausituation, bei der verschiedenen Materialproben (z.B. Glimmer, W√§rmeleitpaste, Kapton¬ģ MT und Silikon-W√§rmeleitpads) vermessen werden, ist die Querschnittsfl√§che f√ľr den W√§rmestrom immer gleich. Meist wird daf√ľr zum Beispiel eine Fl√§che von einem Zoll¬≤ oder ein TO220 Geh√§use verwendet.


Da sich im direkten Vergleich bei gleicher Fl√§che diese heraus k√ľrzt, ist der W√§rmewiderstand (im Vergleich) nur noch von der materialspezifischen W√§rmeleitf√§higkeit und der Dicke des Materials abh√§ngig.



Geringe Materialstärke versus gute Wärmeleitfähigkeit

Die Abh√§ngigkeit von der L√§nge des w√§rmeleitenden Weges macht deutlich, warum trotz der erheblich schlechteren W√§rmeleitf√§higkeit von Isolationsfolien diese dennoch gut w√§rmeleitenden Silikon-W√§rmeleitpads √ľberlegen sein k√∂nnen. Denn sie sind sehr d√ľnn bei gleichzeitig guter Spannungsfestigkeit. Sofern also die Fl√§che normiert ist, ergibt sich mit der Dicke eines homogenen Materials die folgende Formel:

Rth= K/W

Praktisches Beispiel: F√ľr ein 3mm dickes Sil-Pad mit 3 W/m K spezifischer Leitf√§higkeit und ein Kapton¬ģ MT-Klebeband mit 0,35 W/m K errechnet sich folgender (theoretischer und bezogen auf die Fl√§che normierter) W√§rmewiderstand:

Rth= ((m*K)*0,003 m)/(3 W)

Sil-Pad: 0,001 K/W
Kapton¬ģ MT Klebeband: 0,00013 K/W

Aufgrund der geringen Materialst√§rke ist also das beim spezifischen W√§rmewiderstand deutlich schlechtere Kapton¬ģ MT dem Sil-Pad dennoch √ľberlegen.


Bild1: Sil-Pad



Praxisnahe Betrachtung des Wärmepfades

Die oben errechneten Angaben sind theoretische Werte, da in der konkreten Einbausituation meistens unterschiedliche W√§rmestromquerschnitte existieren - also der Transistor mit einer viel kleineren Fl√§che auf einem gro√üen K√ľhlk√∂rper sitzt. Allerdings machen sie deutlich, dass eine geringe Materialst√§rke den W√§rmewiderstand deutlich reduziert - trotz geringerer spezifischer W√§rmeleitung.


Dennoch ist eine d√ľnne, gut spannungsisolierende Folie wie Kapton¬ģ MT nicht immer die beste Wahl. Und das liegt daran, dass es sich um eine harte, steife Folie handelt. Sie kann sich nicht an die Oberfl√§chenrauigkeiten anpassen und verbessert dadurch die Kontaktfl√§che nicht wesentlich. Es bilden sich durch die Rauigkeit vielmehr Bereiche, in denen Luft als Isolator den W√§rmetransport erheblich behindert.



Bild 2: Wärmeleitfolie


Eine Silikon-Kautschuk-Folie dagegen kann sich aufgrund der Elastizit√§t an Oberfl√§chenunebenheiten anpassen und erreicht eine deutlich vergr√∂√üerte Kontaktfl√§che. Entsprechend dicke und weiche Sil-Pads k√∂nnen sogar unterschiedlich hohe Bauteile auf einer Platine effizient thermisch an eine K√ľhlfl√§che anbinden.


Nachteil der meisten Sil-Pads ist jedoch die geringe Spannungsfestigkeit, die zudem auch noch von der Kompression abh√§ngig ist. Auch √§ndert sich die W√§rmeleitf√§higkeit zum Teil sehr deutlich in Abh√§ngigkeit von der Kompression. F√ľr geringere Rautiefen und eine hohe Spannungsfestigkeit bietet sich zur Reduktion des W√§rme√ľbergangswiderstand eine andere Methode an.


W√§rmeleitende Folien wie Kapton¬ģ MT werden bei CMC Klebetechnik mit einem W√§rmeleitwachs beschichtet. Dieses schmilzt beim ersten Inbetriebnehmen (√úberschreiten der Schmelztemperatur) und f√ľllt die Kavit√§ten zwischen Isolationsfolie und Metalloberfl√§che auf. Dadurch kann man fast 100% Kontaktfl√§che erreichen. Durch die definierte Schichtst√§rke sind zudem Fehldosierungen wie z.B. bei W√§rmeleitpaste nahezu unm√∂glich.


Neben dem materialspezifischen W√§rmewiderstand ist also auch innerhalb des W√§rmepfades der W√§rme√ľbergangswiderstand zwischen unterschiedlichen Materialien zu beachten.


Wie man anhand der Formel

Rth= l/(őĽ*A)

erkennen kann, ist neben der Materialst√§rke l auch die Fl√§che A f√ľr den Widerstand im W√§rmestrom wichtig. Das erkennt man am deutlichsten daran, dass K√ľhlk√∂rper an ihrem √úbergang zur Luft besonders gro√üe Fl√§chen haben. Aber auch innerhalb des W√§rmepfades kann man mit W√§rmespreizern (z.B. Kupferinlays in Multilayerplatinen oder einseitig isolierte Kupferfolien) den W√§rmewiderstand reduzieren.


Weitere m√∂gliche Einfl√ľsse sind u.a. die Durchbiegung der Geh√§use von Leistungsbauteilen durch die W√§rmeentwicklung. Sie kann im Worst-Case-Fall dazu f√ľhren, dass nur noch ein √§u√üerer Rand direkten Kontakt zum K√ľhlk√∂rper hat. Au√üerdem kann sich durch Migration und Austrocknung die Langzeit-W√§rmeleitf√§higkeit von Sil-Pads oder W√§rmeleitpaste ver√§ndern, weshalb Messungen im Neuzustand und nach etlichen 1.000 Betriebsstunden unterschiedlich ausfallen k√∂nnen. Nicht zuletzt tragen die Geometrie des K√ľhlk√∂rpers und seine Anordnung dazu bei, dass die abgeleitete W√§rme m√∂glichst effizient an die nur schlecht w√§rmeleitende Luft abgegeben werden kann.


Das Mittel der Wahl ist eine gro√üe Oberfl√§che und ggf. eine forcierte K√ľhlung (L√ľfter oder Fl√ľssigkeitsk√ľhlung). W√§rmestaus und die Verhinderung einer nat√ľrlichen Luftzirkulation k√∂nnen auf der anderen Seite die Wirksamkeit selbst eines gut w√§rmeleitenden K√ľhlk√∂rpers (Aluminium mit Kupferkern) stark reduzieren. Auch die erforderliche Spannungsfestigkeit bestimmt mit, welche Materialien man einsetzen kann.


Schlussendlich kann ‚Äď sofern keine galvanische Trennung notwendig ist - z.B. Graphit als guter elektrischer und thermischer Leiter (~140 W/mK) eingesetzt werden. Oder mit elektrisch isolierenden Folien zusammenlaminierte Kupferfolien als W√§rmespreizer.


Fazit

Der W√§rmepfad wird beeinflusst durch den materialtypischen W√§rmewiderstand, die √úbergangswiderst√§nde, die St√§rke der beteiligten Materialien im W√§rmepfad und die Querschnittsfl√§che. Alle diese Parameter sind zwar rechnerisch recht gut erfassbar. Die Summe aller Einflussgr√∂√üen ist jedoch so komplex, dass Angaben in Datenbl√§ttern und exemplarische Summenbildungen des W√§rmewiderstandes stets einer praktischen √úberpr√ľfung bed√ľrfen.


CMC Klebetechnik hat im Laufe der vergangenen Jahre ein Sortiment an w√§rmeleitenden Produkten entwickelt. Klebend beschichtete Kapton¬ģ MT - Folien mit hoher Spannungsfestigkeit, weiche Silikonprodukte als Gap-Filler und spezielle Laminate z.B. mit Kupferfolien bieten Entwicklern diverse L√∂sungsm√∂glichkeiten.


 


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