Für ein besseres Verständnis der Optimierung Ihrer Komponenten und Wärmemanagementsysteme werden in diesem Artikel die wichtigsten Aspekte der Wärmeleistung in der Elektronik beschrieben sowie zentrale Parameter aufgezeigt, die auf Komponentenebene zur Verbesserung von Systemflexibilität und Leistung angepasst werden können.
Einführung in den Wärmewiderstand in der modernen Elektronik
19.03.2021
Da Geräte immer leistungsfähiger und kompakter werden, ist das optimale Wärmemanagement der Elektronik für Ingenieure in nahezu allen Branchen eine kontinuierliche Herausforderung. Obwohl es viele kreative Lösungen gibt, um Wärme von heißen Komponenten wie Lüftern, Flüssigkeitskühlern, Wärmerohren usw. abzuführen, werden auch auf Komponentenebene Fortschritte erzielt, um die Wärmeleistung und Wärmeableitung eines Systems von Grund auf zu optimieren.
Inhaltsverzeichnis
Betriebsumgebungstemperaturen im thermischen Design
Bei der Entwicklung eines Endprodukts wie eines IoT-Geräts, eines medizinischen Geräts oder einer industriellen Sensorbaugruppe hat nahezu jede Komponente eine maximale Umgebungstemperatur als definierten Parameter. Diese wird vom Hersteller festgelegt, um sicherzustellen, dass die geforderte Geräteleistung erreicht wird und keine physikalische Beeinträchtigung auftritt. Einige Schalttransistoren können beispielsweise sehr hohe Leistungen verarbeiten, jedoch können bei zu hohen Umgebungstemperaturen ihre internen Halbleiterübergänge beschädigt werden. Zudem beeinflusst die Temperatur direkt die Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Materialien und kann die Leistung eines Bauelements verändern oder beeinträchtigen, wenn die maximale Betriebstemperatur überschritten wird.
Wärme von der Quelle wegführen: Grundlagen der Wärmeübertragung
Bei Geräten mit festen Grenzwerten für interne Verlustleistung und Umgebungstemperatur, wie bei den meisten Spannungswandlern und ICs, hängt die Gehäusetemperatur vom inneren Wärmewiderstand und der Effizienz der Wärmeübertragung an die Umgebung ab. Der innere Wärmewiderstand beschreibt, wie effizient Wärme von der Quelle zur Oberfläche des Bauelements übertragen wird.
Beim Wärmemanagement wird jedoch meist an die Effizienz der Wärmeübertragung eines Bauelements an die Umgebung gedacht, also an Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung. Typische Methoden sind passive Wärmetauscher, Lüfter, Flüssigkeitskühlsysteme und Kühlkörper.
Um eine akzeptable Gehäusetemperatur aufrechtzuerhalten, sollten sowohl der innere Wärmewiderstand des Bauelements als auch die Wärmeübertragung zur Umgebung optimiert werden. Ein thermisch ideales Bauelement hätte keinen Wärmewiderstand und eine unendliche Wärmeabgabe an die Umgebung. Da Bauelemente aus realen Materialien mit jeweils spezifischen Eigenschaften des Wärmewiderstands bestehen und keine perfekte Wärmeübertragung möglich ist, müssen Entwickler die thermische Leistung aller relevanten Komponenten bereits in frühen Designphasen gezielt optimieren.
Beim Wärmemanagement wird jedoch meist an die Effizienz der Wärmeübertragung eines Bauelements an die Umgebung gedacht, also an Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung. Typische Methoden sind passive Wärmetauscher, Lüfter, Flüssigkeitskühlsysteme und Kühlkörper.
Um eine akzeptable Gehäusetemperatur aufrechtzuerhalten, sollten sowohl der innere Wärmewiderstand des Bauelements als auch die Wärmeübertragung zur Umgebung optimiert werden. Ein thermisch ideales Bauelement hätte keinen Wärmewiderstand und eine unendliche Wärmeabgabe an die Umgebung. Da Bauelemente aus realen Materialien mit jeweils spezifischen Eigenschaften des Wärmewiderstands bestehen und keine perfekte Wärmeübertragung möglich ist, müssen Entwickler die thermische Leistung aller relevanten Komponenten bereits in frühen Designphasen gezielt optimieren.
Feste Variablen im Wärmemanagement
Verschiedene Parameter einer Anwendung sind häufig festgelegt und erfordern ein Design, das diese Anforderungen erfüllt. In manchen Fällen werden Wirkungsgrad, Umgebungstemperatur und die Mechanismen der Wärmeübertragung durch die Endanwendung vorgegeben. Häufig lassen sich akzeptable Betriebsbedingungen und niedrige Gehäusetemperaturen nur durch die Auswahl von Bauelementen mit verbessertem thermischen Design und geringerem inneren Wärmewiderstand erreichen.
Optimierter innerer Wärmewiderstand
Es gibt zwei kritische Parameter, die den Gesamtwärmewiderstand eines Bauelements sowie die resultierende Temperatur der Wärmequelle und die Gehäusetemperatur bestimmen: Ψjt und θja. Beide sind spezifische thermische Widerstandsparameter, die für jedes Bauelement individuell sind und je nach Gehäusebauform variieren. Ψjt ist ein thermischer Charakterisierungsparameter, der den mehrpfadigen Wärmefluss von der Wärmequelle zu den Gehäuseoberflächen beschreibt, während θja den Wärmewiderstand von der Wärmequelle zur Umgebung darstellt. Ψjt ist abhängig von der Verlustleistung. Eine Erhöhung von Ψjt bei steigender Verlustleistung und höheren Gehäusetemperaturen kann die Leistung des Bauelements beeinträchtigen. Selbst bei optimiertem Ψjt kann ein hoher θja-Wert zu erhöhten Gehäusetemperaturen und einem eingeschränkten Betriebstemperaturbereich führen.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, Ψjt und θja zu reduzieren, beispielsweise durch Materialoptimierung, verbesserte Fertigungsprozesse und geeignete Wärmeübertragungsmethoden vom Übergang zur Umgebung. Einer der jüngsten Fortschritte zur Reduzierung des Wärmewiderstands ist 3D Power Packaging®. Mit 3DPP-Technologien wie FCOL, eingebetteten ICs und thermischen Durchkontaktierungen ist es RECOM gelungen, die Werte für Ψjt und θja deutlich zu verbessern. Durch diese reduzierten Wärmewiderstände kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden, ohne die zulässige Umgebungstemperatur des Bauelements zu begrenzen. 3DPP-Lösungen sind für leistungsstarke und hocheffiziente Anwendungen ausgelegt und kommen ohne aktive Kühlung oder große passive Kühlkörper aus.
Weitere Informationen zur 3DPP®-Technologie von RECOM sowie zur Bedeutung eines geringen Wärmewiderstands in hocheffizienten Leistungsanwendungen finden Sie auf der 3DPP-Anwendungsseite oder durch Bestellung eines 3DPP-Evaluierungsboards unter info@recom-power.com.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, Ψjt und θja zu reduzieren, beispielsweise durch Materialoptimierung, verbesserte Fertigungsprozesse und geeignete Wärmeübertragungsmethoden vom Übergang zur Umgebung. Einer der jüngsten Fortschritte zur Reduzierung des Wärmewiderstands ist 3D Power Packaging®. Mit 3DPP-Technologien wie FCOL, eingebetteten ICs und thermischen Durchkontaktierungen ist es RECOM gelungen, die Werte für Ψjt und θja deutlich zu verbessern. Durch diese reduzierten Wärmewiderstände kann eine höhere Leistungsdichte erreicht werden, ohne die zulässige Umgebungstemperatur des Bauelements zu begrenzen. 3DPP-Lösungen sind für leistungsstarke und hocheffiziente Anwendungen ausgelegt und kommen ohne aktive Kühlung oder große passive Kühlkörper aus.
Weitere Informationen zur 3DPP®-Technologie von RECOM sowie zur Bedeutung eines geringen Wärmewiderstands in hocheffizienten Leistungsanwendungen finden Sie auf der 3DPP-Anwendungsseite oder durch Bestellung eines 3DPP-Evaluierungsboards unter info@recom-power.com.