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Verringerter Wärmedurchgangswiderstand

In der Elektronikgehäuseindustrie geht der Trend immer mehr zu kleineren, leistungsfähigeren Geräten hin. Bei diesen kleinen, hochleistungsfähigen Komponenten kommt es allerdings auch zu höheren Wärmeströmen. Daher müssen Konstrukteure nach Möglichkeiten suchen, den Wärmewiderstand am Übergang zwischen dem elektronischen Gerät und der Umgebungsluft auf ein Minimum zu reduzieren.

Dieser Wärmewiderstand kann als Rjabezeichnet werden, wobei

Rja = Rjc+ Rcs+ Rsa

Rja - Thermal resistance from the device junction to the ambient air or water

Rjc - für den Wärmewiderstand am Übergang vom Gerät zum Gerätegehäuse steht, der vom Hersteller des elektronischen Gerätes bestimmt wurde (der Konstrukteur hat keinen direkten Einfluss darauf);

Rcs - für den Wärmewiderstand zwischen dem Gerätegehäuse und dem Kühlkörper oder der Kühlplatte steht, der von Größe und Beschaffenheit der Kontaktflächen zwischen dem elektronischen Gerät und dem Kühlkörper bzw. der Kühlplatte, den verwendeten Materialien und dem Kontaktdruck abhängt;

Rsa - für den Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper oder der Kühlplatte und der Umgebungsluft oder der Kühlflüssigkeit steht, welcher von der Bauform des Kühlkörpers oder der Kühlplatte abhängt (Material und Geometrie).

Eine Möglichkeit, Rjazu verringern, besteht daher darin, Rcs, zu reduzieren, also den Durchgangswiderstand zwischen dem Gehäuse des elektronischen Gerätes und dem durch Umluft gekühlten, mit Rippen oder Lamellen ausgestatteten Kühlkörper oder den flüssigkeitsgekühlten Kühlplatten. Diverse Faktoren wirken sich auf Rcs, aus: unter anderem die Ebenheit oder Rauheit der Oberfläche, die Kontaktkraft oder der Spanndruck, die Reinheit der Oberfläche und die Wärmeleitmaterialien.

Ebenheit und Rauheit der Oberfläche

Die Ebenheit der Oberfläche bezieht sich auf weit auseinander liegende Unregelmäßigkeiten der Oberfläche bzw. deren "Welligkeit". Die Rauheit der Oberfläche bezieht sich auf Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche im Submikron-Bereich. Diese entstehen in der Regel durch maschinelle Bearbeitung, Gebrauch und/oder Verschleiß.

Abbildung 1

 Abbildung 1 Ebenheit und Rauheit der Oberfläche

Beim Kontakt zwischen zwei nicht perfekt regelmäßigen Oberflächen entstehen zwischen ihnen Luftlöcher. (Siehe Abbildung 1.) Die meisten Durchgangsbereiche haben über 90% Lufträume. Das bedeutet einen erheblichen Widerstand für die Wärmeübertragung, weil Luft die Wärme nicht sehr gut leitet. Tabelle 1 zeigt typische Oberflächenrauheitswerte für diverse Fertigungsprozesse.

Tabelle 1

Prozess Einheiten in µm Einheiten in Mikrozoll
Polieren 0.1 - 0.4 4 - 16
Schleifen 0.1 - 1.6 4 - 64
Laserschneiden 0.8 - 6.3 32 - 252
Druckguss 0.8 - 1.6 32 - 64
Maschinelle Bearbeitung 0.8 - 1.6 32 - 64
Extrusion 0.8 - 3.2 32 - 128
Bohren 1.6 - 6.3 64 - 252


Für ausreichenden Kontakt zwischen dem elektronischen Gerät und dem Kühlkörper oder der Kühlplatte ist in der Regel eine Montagefläche mit einer Ebenheit erforderlich, die eine Abweichung von nur 0,001 Zoll/Zoll (0,00254 cm/cm) aufweist. Die Oberflächenrauheit sollte zu der des elektronischen Gerätes äquivalent sein. Normalerweise gelten 0,8 bis 1,6 Mikrometer als angemessen. Wird die Oberfläche noch feiner bearbeitet, so entstehen nur unnötige Kosten ohne wesentliche Verbesserung der Wärmeleistung. Die Ebenheit der Oberfläche ist in der Regel wesentlich entscheidender als die Oberflächenrauheit, wenn es um eine gute Wärmeleitung geht.

Kontaktkraft

Ein weiterer sehr wichtiger Faktor für die Minimierung des Wärmedurchgangswiderstands ist die Kontaktkraft. Darunter versteht man die Kraft, mit der das elektronische Gerät an den Kühlkörper oder die Kühlplatte gedrückt wird. Die Oberflächen des elektronischen Gerätes und des Kühlkörpers werden niemals vollkommen eben sein. Daher gibt es immer Luftlöcher zwischen ihnen. Aber in dem Maße, wie die Kontaktkraft zunimmt, mit der die beiden Oberflächen aneinander gedrückt werden, erhöht sich die Zahl der Kontaktstellen zwischen den beiden Oberflächen, und so kommt es zu einem geringeren Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper, Rcs. Dieses Verhältnis zwischen Kraft und Wärmewiderstand ist keine lineare Funktion. Die Erhöhung der Kontaktkraft führt zu einer Abnahme des Wärmedurchgangswiderstands. Ab einem bestimmten Punkt wird der Gewinn für die Reduzierung des Wärmewiderstands immer geringer. Dann ist die maximale Kraft, die das Gehäuse verträgt, erreicht. Die empfohlenen Werte für die Kontaktkraft sollten beim Hersteller des elektronischen Gerätes erfragt werden.

Reinheit der Oberfläche

Die Reinheit der Montageoberfläche ist ebenso wichtig, wenn es um die Minimierung des Wärmedurchgangswiderstands geht. Die Montageoberflächen sollten frei von Fremdkörpern wie Schmutz, Öl, Oxiden und Schmierfilmen gehalten werden. Da die meisten Kühlkörper und Kühlplatten nach der maschinellen Bearbeitung gelagert werden, empfiehlt sich vor dem Einbau des Gerätes ein Reinigungsdurchgang. Eine angemessene Reinigungstechnik besteht darin, die Montageoberfläche leicht mit einem 3M Scotch Brite® Nr.000 aus feiner Stahlwolle abzuschleifen und sie anschließend mit einer Reinigungslösung für Halbleiter abzuwischen.

Wärmeleitmaterial

Schließlich kann Rcs noch durch geeignetes Wärmeleitmaterial (Thermal Interface Material, TIM) verbessert werden, mit dem die Luftlöcher zwischen den beiden Oberflächen gefüllt werden können. Hierfür kann eine Reihe von Technologien genutzt werden, einschließlich Wärmeleitpasten und wärmeleitenden Komponenten, Elastomeren, Klebebändern etc., die jeweils unterschiedliche Charakteristiken aufweisen (unterschiedliche Betriebstemperaturen, unterschiedlich schwierig aufzutragen, unterschiedliche Aushärtungszeiten, Druckanforderungen etc.). Je nach Anwendung sind diese einzelnen Materialien daher unterschiedlich gut geeignet. Bei der Wahl eines geeigneten Wärmeleitmaterials für Ihre Anwendung sollten Sie den Hersteller zu Rate ziehen. Tabelle 2 zeigt typische Werte für Wärmewiderstand und Wärmeleitfähigkeit dieser diversen Wärmeleitmaterialien

Tabelle 2

Wärmeleitmaterial Dicke (cm) Wärmeleitfähigkeit,
k (W/m-K)
Rcs(°C/W)
Kaltlötung N/A N/A 2.9
Wärmeleitpaste .003 .7 .9
Wärmeleitende Gemische .005 1.2 .8
Elastomer .010 5.0 1.8
Klebeband .009 .7 2.7

Zu den Kontaktbedingungen gehören diverse Faktoren wie die Ebenheit und Rauheit der Oberflächen, die Reinheit der Oberflächen, der Kontaktdruck und die Wärmeleitmaterialien. Für die Optimierung der Wärmeleitung vom Übergang des elektronischen Gerätes zum Kühlkörper stehen zahlreiche Technologien und Techniken zur Verfügung. Wichtig ist die Minimierung des Wärmewiderstands, damit die Temperatur des elektronischen Gerätes unter dem Höchstnennwert gehalten werden und die Verlässlichkeit des Endprodukts erhöht werden kann.

Autor: Joao Castro, Anwendungstechniker bei Lytron