Version vom 17. Mai 2015, 16:12 Uhr

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Dieser Artikel behandelt die Grundlagen zu Kühlkörpern.

Verschiedene Kühlkörper, links ein TO220-Gehäuse zum Größenvergleich

Einleitung

Wieso sind überhaupt Kühlkörper in technischen Geräten erforderlich?

Kein Gerät kann einen 100-prozentigen Wirkungsgrad erzielen und somit tritt Verlustleistung auf. Diese Verlustleistung führt zur Erwärmung der Bauteile. Kühlkörper sollen die Entwärmung verbessern, indem die entstehende Wärme auf eine große Fläche verteilt wird und durch Konvektion an der Luft auskühlen kann. Die Temperatur an den heißen Bauteilen ist mit Kühlkörper geringer als ohne Kühlkörper.

Wieso sind hohe Bauteiltemperaturen ungünstig?

Die Lebensdauer aller elektronischen Bauteile ist stark von der Temperatur abhängig. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad führt zur Halbierung der Lebensdauer. Außerdem gibt es Grenztemperaturen, die nicht überschritten werden dürfen. Beispielsweise dürfen Halbleiter keine Temperatur über 150°C erreichen. Extrembeispiele sind die Schmelztemperatur von Isolierungen, Lötzinn etc... sowie Brandgefahr durch hohe Temperaturen. Viele Bauteile können ohne vernünftige Kühlung nicht ihren vollen Funktionsumfang erreichen, liefern dann z.B. geringere Maximalströme oder es greift die Temperaturabschaltung. Anders formuliert: Die maximale Leistung eines Bauteils oder Geräts wird durch seine Entwärmung bestimmt! Zur eigenen Sicherheit bietet es sich zudem an, die Temperaturen niedrig zu halten, sodass man sich am Gerät nicht die Finger verbrennen kann ;)

Wärmeübertragung

Prinzipiell kann Wärmeübertragung über Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung geschehen. In vielen Anwendungen treten mehrere Mechanismen gleichzeitig auf. Welcher Mechanismus hauptsächlich auftritt, ist von der mechanischen Anordnung, den Materialien und der Temperatur abhängig. Wärmeleitung und Konvektion sind die wichtigsten Arten der Wärmeübertragung, die in der Praxis auftreten. Nun zu den einzelnen Effekten:

• Wärmeleitung

  Bei der Wärmeleitung wird die Wärme über einen direkten mechanischen Kontakt (Bsp. IC [math]\rightarrow[/math]Kühlkörper) übertragen. Den beteiligten Materialien wird jeweils eine spezifische Wärmeleitfähigkeit [math]\lambda[/math] zugeordnet, dazu später mehr.

• Konvektion

  Mit Konvektion wird die Strömungsbewegung in Flüssigkeiten und Gasen bezeichnet. Praxisbeispiele sind die Wärmeabgabe eines Kühlkörpers an die Umgebungsluft oder auch eine Wasserkühlung. Von erzwungener Konvektion spricht man, wenn die Strömung durch z.B. einen Ventilator/Lüfter oder eine Wasserpumpe hervorgerufen wird. Im Vakuum kann keine Konvektion auftreten.

• Wärmestrahlung

  Wärmestrahlung ist elektromagnetische Strahlung (hauptsächlich Infrarot und sichtbares Licht), die vom heißen Festkörper abgestrahlt wird. Sie wird erst bei höheren Temperaturen relevant und ist bei den üblichen Kühlkörpertemperaturen meist zu vernachlässigen. Erwähnt werden soll zudem, dass Wärmestrahlung der einzige Mechanismus der Wärmeleitung ist, welcher im Vakuum auftreten kann. (Für Details zu Wärmestrahlung siehe auch: Plancksches Strahlungsgesetz und Schwarzer Strahler).

Materialien

Jedes Material besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit, welche angibt, wie gut dieses Material Wärme weiter transportieren kann. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist unabhängig von der Geometrie des Materials, wird mit der Größe [math]\lambda[/math] (Lambda) ausgedrückt und erhält die Einheit [math]\frac{W}{m \cdot K}[/math].

Die meisten Kühlkörper werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Für Aluminium spricht seine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Verfügbarkeit und geringe Dichte. Im Vergleich zu Kupfer und Silber ist Aluminium deutlich kostengünstiger. Darüber hinaus lässt sich Aluminium mechanisch gut verarbeiten. Kupfer wird mit seiner höheren Wärmeleitfähigkeit z.B. bei Heatpipes eingesetzt.

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Wärmewiderstand [math]R_{th}=\frac{d}{\lambda \cdot A}[/math]

d: Materialdicke, welche für die Wärmeleitung relevant ist

[math]\lambda[/math]spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials

A: Querschnitts-/Kontaktfläche

Definitionen

Um vorauszusagen, wie sich die Temperaturen in einer Schaltung verhalten, bedient sich der Ingenieur - wie auch bei vielen anderen Anwendungen - eines Ersatzschaltbildes (ESB). Zur Erstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes muss man sich aber zunächst mit den thermischen Größen vertraut machen.

Die Temperaturen werden mit dem griechischen Buchstaben Theta [math]\theta[/math] gekennzeichnet. Temperaturen werden in Grad Celsius (°C), Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben. (Am Rande: Es existiert auch eine Kelvinskala mit dem absoluten Nullpunkt 0 K=-273,15°C). Die Temperaturen werden außerdem noch mit einem Index gekennzeichnet, abhängig von der mechanischen Stelle, an der sie auftreten:

Die Verlustleistung eines Bauteils beschreibt die Größe [math]P_{V}[/math] und wird, wie allgemein bekannt, in Watt angegeben.

Als neue Größe wird nun der thermische Widerstand eingeführt, dieser wird mit [math]R_{th}[/math] beschrieben und bekommt die Einheit [math]\frac{K}{W}[/math].

Für die thermischen Größen gibt es, ähnlich dem Ohmschen Gesetz, einen linearen Zusammenhang. Dieser lautet

[math]R_{th}=\frac{\vartheta_{ü}}{P_{V}}[/math]

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Vergleich elektrischer und thermischer Größen Insgesamt können wir nun eine Analogie zwischen bekannten elektrischen Größen und den thermischen Größen angeben. Die schon gelernten Prinzipien zur Lösung linearer Netzwerke lässt sich auch bei den thermischen Ersatzschaltbildern anwenden.

Statisches Ersatzschaltbild

Mit den thermischen Zusammenhängen haben wir uns inzwischen vertraut gemacht. Nun können wir damit beginnen, thermische Ersatzschaltbilder von einfachen Anordnungen zu erstellen. Mit solchen Modellen können Temperaturen, wie z.B. die Chiptemperatur, vorab berechnet werden. Für die Berechnung müssen Wärmewiderstände, Umgebungstemperatur und Verlustleistung bekannt sein, da sie in die Berechnung einfließen.

Bei den thermischen Ersatzschaltbildern kann man ein statisches oder ein dynamisches Ersatzschaltbild erstellen. Bei den statischen Ersatzschaltbilder wird davon ausgegangen, dass alle Größen zeitlich konstant sind, bzw. sofort ihre Solltemperatur entsprechend dem Modell annehmen. In der Realität dauert es natürlich eine gewisse Zeit, bis sich alle beteiligten Materialien aufgeheizt haben. Die Temperaturen des statischen Modells werden dabei erst nach einer bestimmten Zeit erreicht.

Für die meisten Anwendungen genügt es jedoch, das statische thermische Ersatzschaltbild zu erstellen und den Kühlkörper dem entsprechend zu dimensionieren. Die Kühlung wird z.B. auf die maximale oder die mittlere auftretende Verlustleistung dimensioniert. Es wurde bereits erwähnt, dass sich die Bauteiltemperatur auf dessen Lebensdauer auswirkt. Dabei gilt: je niedriger die Bauteiltemperatur, desto länger die zu erwartende Lebensdauer. Je nach Anwendung und Rahmenbedingungen muss eventuell ein Kompromiss zwischen Kühlkörpergröße/kosten und Gerätelebensdauer gewählt werden. Beispielsweise kann der verfügbare Platz, ein Gesamtgewicht oder eine Kostenvorgabe begrenzender Faktor sein. Für einen dauerhaften sicheren Betrieb muss der Kühlkörper und weitere beteiligte Materialien für den worst case ausgelegt oder sogar überdimensioniert werden.

Bauteil ohne Kühlkörper

Um den Umgang mit den thermischen Ersatzschaltbildern zu lernen, soll zunächst mit einem einfachen Beispiel begonnen werden. In diesem Fall wird der Wärmeübergang von einem einzelnen Bauteil zu Luft betrachet, es kommt zunächst also noch kein Kühlkörper zum Einsatz. Das Ersatzschaltbild sieht in diesem Fall folgendermaßen aus:

Die am Bauteil entstehende Verlustleistung ist Ursache der Abwärme und wird im thermischen Ersatzschaltbild als ideale Stromquelle modelliert.

Die Abwärme gelangt nun über den Weg Sperrschicht (Junction) [math]\rightarrow[/math] Bauteilgehäuse (Case) [math]\rightarrow[/math] Umgebung (Ambient) nach außen. Im Ersatzschaltbild ist jeder Übergang als thermischer Widerstand modelliert. Die genauen Zahlenwerte der Wärmewiderstände lassen sich in der Regel dem Datenblatt des Bauteils entnehmen. Benötigt werden die Werte für [math]R_{th(jc)}[/math] und [math]R_{th(ca)}[/math]. In manchen Datenblättern findet man die Angabe [math]R_{th(ja)}[/math], was der Reihenschaltung aus den beiden vorher genannten Werten entspricht, also [math]R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}[/math].

Die Umgebungstemperatur wird als ideale Spannungsquelle modelliert. Sämtliche Spannungen im Ersatzschaltbild entsprechen den auftretenden Temperaturen.

Da es sich nun um ein lineares Netzwerk handelt, gelten hier ebenfalls die Kirchhoff'schen Gleichungen. Relativ leicht lässt sich nun die Temperatur am Bauteilgehäuse (Case) und der Sperrschicht (Junction) berechnen:

[math]\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}[/math]

[math]\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+R_{th(jc)} \cdot P_{V}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ca)}) \cdot P_{V}=\vartheta_{a}+R_{th(ja)} \cdot P_{V}[/math]

Da die thermischen Widerstände bei der Reihenschaltung auch zusammengefasst werden dürfen, beschreibt folgendes thermisches Ersatzschaltbild den gleichen Zusammenhang. Nachteil ist hier allerdings, dass die Temperatur am Gehäuse nicht modelliert wird.

Die Überlegungen zur Sperrschichttemperatur kann auch anders interpretiert werden. Gibt man die Sperrschichttemperatur vor, kann man die maximal erlaubte Verlustleistung des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bestimmen. Die folgende Formel erhält man aus Umformung der oberen Gleichung:

[math]P_{V} \leq \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}}[/math]

Bei Halbleitern darf idR. die Sperrschichttemperatur nicht 150°C überschreiten. Der thermische Widerstand wird hauptsächlich durch das Gehäuse vorgegeben. Aus der Formel sieht man nun folgendes: Je höher die Umgebungstemperatur, desto geringer fällt die maximal erlaubte Verlustleistung aus. Diesen Zusammenhang bezeichnet man auch als Derating.

Beispielrechnung

Ein Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ohne Kühlkörper betrieben werden. Wie hoch ist die maximal erlaubte Verlustleistung, wenn die Sperrschichttemperatur 120°C nicht überschreiten soll und die Umgebungstemperatur 25°C beträgt?

Zunächst werfen wir einen Blick ins Datenblatt des Spannungsreglers und entnehmen die Angaben für die thermischen Widerstände. Dann halten wir alle gegebenen Größen fest:

• Gegeben

  • [math]R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}[/math] (aus dem Datenblatt)
  • [math]R_{th(ja)}=62 \frac{K}{W}[/math] (aus dem Datenblatt)
  • [math]\vartheta_{j}=125°C[/math]
  • [math]\vartheta_{a}=25°C[/math]

• Gesucht

  • [math]P_{v,max}[/math]

• Rechnung

  Wir verwenden die Formel von oben und erhalten als Ergebnis

  [math]P_{V,max} = \frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{R_{th(ja)}} = \frac{120°C-25°C}{62\frac{K}{W}} = \frac{95K}{62\frac{K}{W}} \approx 1,5 Watt[/math]

  Die maximal erlaubte Verlustleistung des Spannungsreglers ohne Kühlkörper darf demnach 1,5 Watt nicht überschreiten.

• Zusatz

  Mit unserem Ersatzschaltbild können wir außerdem die Temperatur des Gehäuses (Case) des Spannungsreglers angeben. Dafür benötigen wir noch die Angabe [math]R_{th(ca)}[/math], welche allerdings im Datenblatt nicht angegeben ist.

  Da wir aber wissen, dass [math]R_{th(ja)}=R_{th(jc)}+R_{th(ca)}[/math] gilt, können wir die fehlende Größe ausrechnen. Diese ist

  [math]R_{th(ca)}=R_{th(ja)}-R_{th(jc)}=62\frac{K}{W}-5\frac{K}{W}=57\frac{K}{W}[/math].

  Nun lässt sich die Gehäusetemperatur berechnen:

  [math]\vartheta_{c}=\vartheta_{a}+R_{th(ca)} \cdot P_{V}=25°C+57\frac{K}{W} \cdot 1,5 W \approx 111 °C[/math]

• Bemerkung

  In der Praxis wird einem TO220-Gehäuse ungekühlt eine maximale Verlustleistung von 1 Watt zugerechnet. Die Temperaturen sind niedriger, die Lebensdauer des Bauteils höher.

Bauteil mit Kühlkörper und T.I.M.

Der Betrieb eines ICs ohne Kühlkörper, wie im vorigen Abschnitt beschrieben, funktioniert nur bei kleinen Leistungen und führt meist auch zu einer verringerten Lebensdauer des Bauteils. Viele Bauteile können ihre angegebenen Maximalwerte nur bei vernünftiger Kühlung erreichen. In diesem Abschnitt wird nun ein typisches Szenario mit Kühlkörperberechnung vorgestellt.

Befassen wir uns zunächst mit der typischen mechanischen Anordnung. Das zu kühlende IC wird thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt. In der Praxis wird man das IC aber nicht direkt auf dem Kühlkörper befestigen, sondern über ein sogenanntes thermisches Interface-Material (T.I.M.), um Unebenheiten und mechanische Abstände auszugleichen oder um für Insolierung zu sorgen. Details zum T.I.M. folgen im Unterabschnitt. Die typische Anordnung zeigt die folgende Abbildung.

Folgende thermischen Widerstände treten hier in Kraft:

• [math]R_{th(jc)}[/math] für den Übergang Chip zu Bauteilgehäuse
• [math]R_{th(ch)}[/math] für den Übergang Bauteilgehäuse zu Kühlkörper (also über das T.I.M.)
• [math]R_{th(ha)}[/math] für den Übergang Kühlkörper zur Umgebung

Aus diesen thermischen Widerständen wird ein thermisches Ersatzschaltbild angefertigt. Dieses zeigt die nächste Abbildung.

Zunächst soll die Formel zur Berechnung der Chiptemperatur aufgestellt werden, die Formel erhält man wieder durch die Anwendung der Kirchhoffschen Gleichungen im Ersatzschaltbild.

[math]\vartheta_{j}=\vartheta_{a}+(R_{th(jc)}+R_{th(ch)}+R_{th(ha)}) \cdot P_{V}[/math]

Die Formel wird in der Praxis jedoch in einer anderen Form benötigt. Meist steht man als Entwickler vor der Aufgabe, den erforderlichen thermischen Widerstand [math]R_{th(ha)}[/math] des Kühlkörpers zu bestimmen, sofern die Größen Umgebungstemperatur, Sperrschichttemperatur, Verlustleistung sowie die verbleibenden thermischen Widerstände gegeben sind. Anhand des berechneten Wärmewiderstands des Kühlkörpers können dann aus Produktkatalogen geeignete Kühlkörper bestimmt werden.

Wir müssen dafür also die Gleichung nach [math]R_{th(ha)}[/math] auflösen. Wir erhalten die praxisübliche Berechnungsformel:

[math]R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}[/math]

In manchen Quellen sind enthält diese Formel außerdem Korrekturfaktoren, die z.B. die Einbaulage o.ä. berücksichtigen können.

Beispielrechnung

Für einen Spannungsregler vom Typ 7805 im TO220-Gehäuse soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die Eingangsspannung des Reglers beträgt 12V, die Ausgangsspannung von 5V wird mit 500mA belastet. Die Umgebungstemperatur sei 30°C. Der Spannungsregler wird mit Wärmeleitpaste auf dem Kühlkörper montiert, für diesen Wärmewiderstand wird 0,5 K/W angenommen. Welchen Wärmewiderstand darf der Kühlkörper höchstens haben, wenn als maximale Sperrschichttemperatur 110°C angenommen wird?

Diese Aufgabe kann so durchaus in der Praxis auftreten. Von den vielen Angaben darf man sich zunächst nicht verunsichern lassen. Wir verwenden das gezeigte thermische Ersatzschaltbild. Für die Rechnung benötigen wir außerdem noch den thermischen Widerstand [math]R_{th(jc)}[/math] aus dem Datenblatt.

• Gegeben

  [math]R_{th(jc)}=5 \frac{K}{W}[/math] (aus dem Datenblatt)

  [math]R_{th(ch)}=0,5 \frac{K}{W}[/math]

  [math]\vartheta_{j}=110°C[/math]

  [math]\vartheta_{a}=30°C[/math]

  [math]U_{ein}=12V[/math]

  [math]U_{aus}=5V[/math]

  [math]I=0,5A[/math]

• Gesucht

  [math]R_{th(ha)}[/math]

• Rechnung

  Zunächst muss die Verlustleistung am Regler berechnet werden. Diese beträgt

  [math]P_V=P_{Ein}-P_{Aus}=12V \cdot 0,5A~-~5V \cdot 0,5A=3,5 W[/math].

  Nun sind eigentlich auch schon alle Angaben vorhanden, sodass wir die Formel verwenden können.

  [math]R_{th(ha)}=\frac{\vartheta_{j}-\vartheta_{a}}{P_{V}}-R_{th(jc)}-R_{th(ch)}[/math]

  Einsetzen:

  [math]R_{th(ha)}=\frac{110°C-30°C}{3,5W}-5\frac{K}{W}-0,5\frac{K}{W} \approx 17,4\frac{K}{W}[/math]

• Ergebnis

  Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal [math]17,4\frac{K}{W}[/math] betragen.

• Zusatz

  Aus dem Katalog wird ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von [math]10\frac{K}{W}[/math] gewählt. Welche Temperatur erreicht der Kühlkörper, wenn er bei den gegebenen Bedingungen eingesetzt wird?

  [math]\vartheta_h=\vartheta_a+P_{V} \cdot R_{th(ha)}=30°C+3,5W \cdot 10 \frac{K}{W} \approx 65°C[/math]

Thermische Interface-Materialien (T.I.M.) und Montage

Wie bereits erwähnt, werden ICs in der Praxis nicht direkt auf einen Kühlkörper befestigt. Der Grund dafür ist folgender: Durch Unebenheiten und die rauhe Oberfläche von Kühlkörper und IC berühren sich die betreffenden Flächen unter dem Mikroskop gesehen nur minimal. Durch Lufteinschlüsse und die Tatsache, dass Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, fällt in diesem Fall die thermische Anbindung des ICs an den Kühlkörper relativ schlecht aus.

Zum Ausgleich der Unebenheiten eignet sich Wärmeleitpaste, welche dünn auf die Kontaktfläche aufgetragen wird. Es genügt eine sehr geringe Menge der Wärmeleitpaste, die Schichtdicke liegt in der Größenordnung 0,1mm. Die Aufgabe der Wärmeleitpaste ist, die Unebenheiten der Kontaktflächen auszugleichen. Zu viel Wärmeleitpaste erhöht wiederum den thermischen Übergangswiderstand.

Ist zusätzlich eine elektrische Isolation zwischen IC und Kühlkörper erforderlich, können Glimmerscheiben (engl. mica) eingesetzt werden. Elektrische Isolation ist erforderlich, falls zum Beispiel mehrere Transistoren auf einen Kühlkörper montiert werden sollen und eine elektrische Verbindung der Kühlfahnen über den Kühlkörper zu Kurzschlüssen führen würde. Werden Glimmerscheiben verwendet, müssen diese beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen werden, um sämtliche Unebenheiten auszugleichen. Die Glimmerscheiben werden zwischen IC und Kühlkörper eingebaut. Werden die ICs an den Kühlkörper geschraubt, muss auch die Schraube elektrisch isoliert werden. Hierfür sind entsprechende Hülsen aus Kunststoff erhältlich.

Wärmeleitfolien aus Silikon /Gap-Filler

BAUSTELLE

Zur Montage der ICs auf dem Kühlkörper gibt es mehrere Möglichkeiten. Üblich sind Schraubmontage oder die Verwendung von Metallclips aus Federstahl. Der Anpressdruck durch die Montage kann die thermische Kopplung des ICs zum Kühlkörper beeinflussen. Die Metallclips haben den Vorteil, dass der Anpressdruck mit der Zeit nicht nachlässt.

BAUSTELLE

Dynamisches Ersatzschaltbild

Bei den statischen Ersatzschaltbildern können zeitveränderliche Vorgänge nicht modelliert werden. Um auch den zeitlichen Verlauf der Temperaturen bei z.B. wechselnder Verlustleistung der Bauteile vorhersagen zu können, bedient man sich dem dynamischen Ersatzschaltbild. Dieses enthält neben den thermischen Widerständen auch Wärmekapazitäten. Durch thermische Widerstände und Wärmekapazitäten ergeben sich Zeitkonstanten bei der Erwärmung, sodass das Modell der Realität sehr nahe kommt.

BAUSTELLE

Kühlkörperbauformen

• Board-Level-Kühlkörper (aufsteckbare/aufklebbare Kühlkörper, auch für SMD, meist 1 Kühlkörper pro IC)
• Strang-/Profilkühlkörper (meist für hohe Leistungen)
• Kühlaggregate (Kanal + Lüfter)

Wozu eloxierte Oberflächen?

• geringfügig höhere Wärmestrahlung (bei den niedrigen Temperaturen kaum ein Beitrag)
• elektrische Isolation
• Oberflächenschutz

Nachteile:

• erhöhte Wärmeaufnahme aus der unmittelbaren Umgebung!

Stiftkühlkörper

• hohe Oberfläche
• bei dickem "Rücken"/"Boden" des Kühlkörpers gute Wärmespreizung
• mit erzwungener Konvektion hohe Wärmeübertragung (quer zu den Stiften effektiver als in Stiftrichtung)
• leichter und kompakter als Strangkühlkörper

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Lüfter

Lüfter werden vor allem dann eingesetzt, wenn der Kühlkörper bei rein passiver Kühlung zur groß, zu schwer oder zu teuer wird. Beim Einsatz des Lüfters führt die erzwungene Luftströmung zur besseren Wärmeabgabe an die Luft. Bei gleicher Temperatur kann der Kühlkörper dann kleiner gewählt werden. Bei hohen Leistungen sind der kleinere Kühlkörper mit Lüfter preisgünstiger und kompakter als ein großer, rein passiver Kühlkörper. Um welchen Faktor die Wärmeableitung mit Lüfter verbessert wird, hängt von vielen Parametern ab und kann nicht pauschal angegeben werden.

Vorteile

• bessere Wärmeabgabe
• Kühlkörper kann bei gleicher Temperatur kleiner, leichter und kostengünstiger werden
• In kleinem Maßstab günstiger als Wasserkühlung o.ä.

Nachteile

• zusätzlicher Stromverbrauch
• Geräuschentwicklung und Vibrationen
• zusätzliche Kosten für Lüfter und dessen Montage
• Im Falle eines unbemerkten Ausfalls kann die Schaltung überhitzen (Abhilfe: Thermostat, Temperaturfühler oder Tachosignal auswerten)

Anordnungen:

• Push-Prinzip: Der Lüfter bläst die Luft in den Kühlkörper/-kanal
• Pull-Prinzip: Der Lüfter saugt die Luft aus dem Kühlkörper/-kanal heraus

Kenngrößen:

• Luftdurchsatz in [math]\frac{m^{3}}{h}[/math]
• Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung
• Typ Axial/Radial
• Größe
• Geräuschpegel
• Art der Lagerung (Kugellager, Sinterbronze-Lager etc.)
• Temperaturbereich
• Lebensdauer, MTBF

Entwärmung auf einer Platine

Beim Leiterplattenentwurf muss bereits in der Designphase abgeschätzt werden, welche Verlustleistungen auftreten und wie die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Die Größe, Bauform und Befestigung des Kühlkörpers muss ebenfalls berücksichtigt werden. Für Printmontage sind Kühlkörper verfügbar, welche mit lötbaren Stiften in die Platine gesteckt und verlötet werden. Alternativ sind Schraubverbindungen möglich.

SMD-Bauteile können meist über die Platine gut entwärmt werden. Dies ist normalerweise nur bei geringen Verlustleistungen möglich. Die Abwärme der Bauteile muss auf eine möglichst große Fläche verteilt werden, durch große Kupferflächen auf der Platine kann dies erreicht werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der Kupferauflage deutlich höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Platinenmaterials FR4, wird sich die Wärme hauptsächlich in der Fläche verteilen, jedoch weniger durch die Platine hindurch. Um die Wärmeleitung durch die Platine (z.B. von Ober- zu Unterseite) zu erhöhen, müssen Durchkontaktierungen gesetzt werden. Sogenannte "Thermal Vias" werden in einer großen Anzahl an das zu entwärmende Bauteil gesetzt und können damit die Wärme zu anderen Kupferlagen der Platine weiterleiten. Die Wärmeleitung durch die Platine hindurch wird verbessert, liegt aber dennoch deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer. Thermische Vias können aufgrund ihrer kleinen Masse kaum einen Beitrag zur gesamten "Kühlmasse" beitragen. Ob schließlich eine Entwärmung durch die Platine ausreicht, muss durch Simulation oder Messung gezeigt werden.

Die Einbaulage der Platine kann die Entwärmung zudem beeinflussen. Erwärmte Umgebungsluft steigt nach oben und kann andere Komponenten oder Platinen aufheizen.

Maßnahmen für bessere Entwärmung:

• Durchkontaktierungen zur Wärmeleitung zwischen mehreren Kupferlagen, da der Platinenkern (bei FR4: glasfaserverstärktes Epoxidharz) idR. eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit hat
• Breite Leiterbahnen, welche Wärme abführen und auf eine große Fläche verteilen
• Für große bedrahtete ICs (TO220, Multiwatt...) eignen sich Board-Level-Kühlkörper
• Für kleinere ICs mit Wärmeentwicklung eignen sich aufklebbare Kühlkörper
• Für SMD-Bauteile exisitieren auch Kühlkörper, die sich direkt auf die Platine löten lassen, diese sind auch maschinenbestückbar
• Einsatz spezieller Platinenmaterialien (Alukern, Kupfer-Inlay)...
• je nach Schaltung: dickere Kupferkaschierung für bessere Wärmeausbreitung in der Fläche (Standard sind 35µm, erhältlich sind auch 70µm und mehr)

Welche Temperatur das Bauteil auf der Platine erreicht, kann nach dem Aufbau natürlich gemessen werden. Besser wäre es jedoch, die Temperaturen bereits beim Entwurf der Platine zu kennen, um einschätzen zu können, ob die Entwärmung ausreichend ist. Allgemeine Angaben hierfür sind schwer zu finden, jedoch gibt es vereinzelt Angaben in Datenblättern von Halbleitern zur Entwärmung. An den folgenden Zahlenwerten kann man sich orientieren, wenn man ähnliche Bauteile entwärmen möchte. Damit man für die genannten Flächen eine grobe Vorstellung hat, sei noch erwähnt: ein Cent hat eine Fläche von grob [math]200mm^2[/math], ein Euro hat grob [math]400mm^2[/math].

TO263

Im Datenblatt des Schaltreglers LM2576 von National Semiconductor findet man für das TO263-Gehäuse einige Angaben. Das TO263-Gehäuse gleicht übrigens dem TO220 bis auf die Tatsache, dass die Kühlfahne kürzer ist und das Gehäuse für SMD-Montage vorgesehen ist. Das Datenblatt gibt thermische Widerstände für den Übergang Junction-Ambient an. Die Angabe ist abhängig von der Kupferfläche auf der Platine, die unmittelbar für das Bauteil aus Kühlkörper wirkt. Die Zahlenwerte aus dem Datenblatt wurden in Quadratmillimeter umgerechnet, gerundet und stehen nun in der Tabelle bereit. Keine Angaben macht der Hersteller zu den Rahmenbedingungen, unter denen die thermischen Widerstände ermittelt wurden (Platinendicke, Durchkontaktierungen, Form der Kupferfläche und Dicke der Kupferkaschierung). Dennoch können die Werte zur groben Orientierung dienen.

SOT223, TO252

Im Datenblatt des Low-Drop-Spannungsreglers LM1117 von National Semiconductor sind Angaben zur Entwärmung über die Platine von SOT223 und TO252-Gehäusen vorhanden. Der Hersteller gibt an, für das SOT223-Gehäuse eine 35µm dicke, und für das TO252-Gehäuse eine 70µm dicke Kupferkaschierung der Platine verwendet zu haben. Leider finden sich in diesem Datenblatt keine Informationen zu Durchkontaktierungen, Platinendicke, und ob das IC auf der Ober- oder Unterseite der Platine montiert wurde (Vermutung: oben montiert, da angegebene thermische Widerstände geringer sind). Der Hersteller hat drei Fälle untersucht: Kupferfläche oben, Kupferfläche unten, Kupferfläche beidseitig. Für das thermische Platinendesign kann man diese Zahlenwerte zumindest als Richtwerte verwenden. Das Datenblatt enthält zudem Zeichnungen der Kühlflächen. Die Zahlenwerte wurden wieder in Quadratmillimeter umgerechnet und gerundet und in die folgenden Tabelle eingetragen:

Bei gleicher (projizierter) Fläche bring die beidseitige Kupferauflage erstaunlicherweise keinen niedrigeren thermischen Widerstand als wenn die Kupferauflage nur auf der Oberseite vorhanden ist. Vermutlich wurden bei der Messung keine Durchkontaktierungen (Vias) eingebracht oder die Fläche ist insgesamt zu klein, als dass sich ein Effekt zeigen würde.

SO20

Aus dem Datenblatt des L293DD sind Angaben zum SO20-Gehäuse enthalten. In diesem Falle sind 8 zentrale Pins an die Kühlfläche angebunden, die Kupferkaschierung ist vermutlich einseitig 35µm. Die groben Richtwerte sind:

PowerDIP20

Für das DIP20-Gehäuse wird man im Datenblatt des Motortreibers L6202 von ST fündig. Bei 35µm Kupferkaschierung der Platine ergeben sich die folgenden thermischen Widerstände.

Für die Form der empfohlenen Kühlfläche sei auf das Datenblatt verwiesen. Wird das IC in einem Sockel verwendet, muss man sicherlich von höheren thermischen Widerständen ausgehen.

Abschlusskommentar

An den gezeigten, thermischen Widerständen sieht man leicht: je größer die Kühlfläche, desto geringer der thermische Widerstand. Dieses Verhalten würde man so auch erwarten.

Allerdings fällt auch noch auf: Ab einer bestimmten Fläche bringt es nur noch wenig, die Fläche weiter zu vergrößern, da sich der thermische Widerstand ab dann nur noch unwesentlich ändert.

Die mit den Kupferflächen erreichten thermischen Widerstände sind für viele Anwendungen noch deutlich zu hoch. Bei Verlustleistungen von wenigen Watt werden dadurch bereits kritische Chiptemperaturen erreicht. Wie bereits oben erwähnt, funktioniert die Entwärmung von SMD-Komponenten über die Platine also nur für kleine Verlustleistungen. Bei größeren Verlustleistungen müssen zusätzliche Entwärmungsmaßnahmen getroffen werden (z.B. aufklebbarer Kühlkörper, etc.). Zielführend ist auch, die Ursache der Erwärmung, nämlich die Verlustleistung zu verringern. Wird beispielsweise ein Linearregler durch einen effizienteren Schaltregler ersetzt, kann die Entwärmung aufgrund der kleineren Verlustleistung deutlich einfacher gestaltet werden. Ob die Verringerung der Verlustleistung möglich ist, hängt natürlich von der Anwendung ab.

Spezielle Kühlkörper

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Autoren

• BMS

Quellen und Verweise

• Best, Siegfried W.: Elektronikkühlung und Wärmemanagement von A bis Z. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2013. S. 20ff.
• Best, Tobias: Thermisches Via, die kleine Schwester der Heatpipe. In: Elektronikpraxis, April 2013. S. 12ff.
• Erdmann, Marc: Beste Effizienz auch beim Thermal Management. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Leistungelektronik und Stromversorgung. März 2015. S. 38ff.
• Kerstin, Nils; Schulz, Martin: Thermische Widerstände genau messen - eine Herausforderung. In: Elektronikpraxis, Nr. 17, September 2014. S. 48ff.
• K.R. (Alutronic): Stiftkühlkörper für die Leistungselektronik. In: Elektronikpraxis Nr.9, Mai 2014. S. 50ff.
• Harpain, Jürgen: Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse. In: Elektronikpraxis Nr.1, Januar 2014. S. 36ff.
• Harpain, Jürgen: Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs. In: Elektronikpraxis - Sonderheft Elektromechanik, April 2014. S. 14ff.
• Schulz, Martin: Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen. In: Elektronikpraxis, November 2013. S. 36ff.
• Schulz, Martin: Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien. In: Elektronikpraxis Nr.2., Januar 2014. S. 42ff.