ZFW. Innovatives Wärmemanagement in der Elektronik. häufige Fehler, die Sie besser ihrem Wettbewerber überlassen. Prof. Dr.-Ing. Andreas Griesinger

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1 Innovatives in der Elektronik häufige Fehler, die Sie besser ihrem Wettbewerber überlassen Prof. Dr.-Ing. Andreas Griesinger Lindenstr. 13/ Walddorfhäslach Tel /

2 Motivation Quelle: 2

3 Inhalt 1. Physikalische Grundlagen 2. Thermophysikalische Stoffwerte 3. Thermosimulation 4. Thermische Interfacematerialien 5. Kühlkörper 6. Optimierung des Wärmepfads 7. Der 2. Hauptsatz im Berufsalltag 3

4 Physikalische Grundlagen 4

5 Wärmetransportmechanismen Leitung Strömung Strahlung 5

6 durch ZFW Wärmeleitung Wärmeleitung Molekül- / Atomschwingungen Diffusion freier Elektronen Bemerkung: In reinen Metallen ist der Wärmetransport durch Elektronen stets ein bis zwei Größenordnungen größer als durch Gitterschwingungen. 6

7 Wärmeübergang a : Wärmeübergangskoeffizient [W/(m 2 K)] T T W Q T F Strömung Grenzfläche 7

8 Wärmestrahlung Elektronikkühlung: 3 20 µm 8

9 Wärmetransportmechanismen: Grundgleichungen Leitung Q A d ( T 1 T2) R th T 1 T 2 Q d A K W Strömung Q a A( T W TF ) R th T W T Q F 1 a A K W Strahlung Q 4 A1 C12 ( T1 T 4 2 ) 9

10 Beispiel geschlossenes Kunststoffgehäuse, 110 x 110 x 50 mm, Wandstärke 1,5 mm LP 100 x 100 x 1,5 mm, 4 Lagen, frei im Gehäuse, Leistung 4 W - Strahlungsanteil der LP ca. 65% - konvektiver Anteil der LP ca. 35% freie Konvektion T umg = 60 o C 10

11 Fehler Nr. 1 Der Strahlungspfad wird unterschätzt 11

12 Messung von thermophysikalischen Stoffwerten 12

13 Messprinzip Anregung Q t Antwort Q Thermisches System T t t Q t 13

14 Thermoelemente Weg ZFW Beispiel: TIM-Tester nach ASTM D Q Quelle Referenzmaterial mechanischer Druck DT Probe Referenzmaterial Q Senke Temperatur 14

15 TIM-Tester Messbereich Temperatur Probe Anpressdruck Probendurchmesser Probendicke R th,min R th,max : 10 o C 60 o C : 0,5 20 bar : 30 mm : 0 20 mm : 20 mm 2 K/W : mm 2 K/W Messgenauigkeit R th bzw. : +/- 6 % Probendicke : +/- 2 µm 15

16 Fehler Nr. 2 Annahme: Thermophysikalische Stoffwerte sind genauer als 5-10% 16

17 Berechnungen durch Thermosimulation 17

18 Simulationsrechnung, Beispiel Temperatur Leistungshalbleiter / Junction Abgestrahlter Wärmestrom der Leiterplatte (netto): 8,3 W Gesamtwärme, die im System entsteht: 36,4 W Durch Luftstrom abtransportierter Wärmestrom 11,3 W Temperatur der Leiterzüge, Joulesche Wärme durch elektrischen Strom, Wärmeleitung im Kupfer FloTherm XT 18

19 Fehler Nr. 3 Annahme: Berechnete Werte sind beliebig genau 19

20 Thermische Interfacematerialien (TIM) 20

21 Einfluss von Oberflächen im Wärmepfad Q Alu R th = 0,5 K/W Alu-Würfel, Kantenlänge 10 mm Luftspalt 1 µm Luft R th = 0,5 K/W Alu-Würfel, Kantenlänge 10 mm Alu R th = 0,5 K/W 21

22 Thermischer Kontaktkoeffizient Q Q d K Q A d ( T ) 1 T2 Q kk A ( T 1 T2) K k k : Thermischer Kontaktkoeffizient [W/(m 2 K)] R th = 1 k k A [K/W] 22

23 Temperaturverlauf mit und ohne thermischem Interfacematerial Q Q T T o z T o 23

24 Auswahl von thermischen Interfacematerialien TIM vorgeformt flüssig Folien Gap Pads Phase- Change Pasten Gap Filler (Gele) Klebstoffe 24

25 Auswahl von thermischen Interfacematerialien Geometrische Bedingungen, Toleranzen Oberflächeneigenschaften Elektrischer Isolierung Thermische Performance Einbaubedingungen (z.b. Feder oder Verschraubung) Anforderungen bei Montage, Automatisierung Lebensdauer (thermisch, mechanisch, chemisch, UV) Kosten 25

26 Überblick über thermische Interfacematerialien 26

27 Thermische Interfacematerialien (TIM) TIM: Meist Polymersysteme mit Füllpartikeln (z.b. Keramik) 27

28 Weg x ZFW Temperaturverlauf zwischen zwei Festkörperoberflächen Q Festkörper 1 R th,kontakt 1 d TIM R th,bulk R th,kontakt 2 Festkörper 2 Temperatur T Entscheidender Wert: R th,ges = d λ A 28

29 Fehler Nr. 4 Ein TIM wird anhand seiner Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, nicht anhand des Gesamtwiderstands. 29

30 Kühlkörper 30

31 Bewertung von Kühlkörpern Thermischer Widerstand (R th -Wert) als charakteristische thermische Größe: R th T KK T P V Umg K W Verlustleistung P v Umgebungstemperatur T Umg Kühlkörpertemperatur T KK 31

32 Typische Herstellerangaben XXX Die Wärmewiderstände und Verlustleistungen wurden bei einer Umgebungstemperatur von 25 o C und einer IC Gehäusetemperatur von 85 o C ermittelt. c a a b 32

33 Entscheidende Parameter bei der Ermittlung des R th -Werts Flächenanteil der Wärmequelle bezogen auf die Baseplate Ort der Temperaturmessung am KK Tatsächlich eingekoppelte Wärme in den KK (Strahlungsverluste etc.) Temperaturniveau, Umgebungstemperatur Bei erzwungener Konvektion: Art der Anströmung (Strömungsform, mögliche Strömungswege durch und um den KK) Strahlungspartner, Einbaulage 33

34 6,5 cm 30 cm ZFW Abhilfe: Messung unter definierten Bedingungen Lüfter Strömungskanäle, quadratischer Querschnitt 126 cm Heizfolie 30 cm P v U I 34

35 Messaufbau zur Charakterisierung von Kühlkörpern Pin-KK Rippen-KK volumengleich wie Pin-KK Rippen-KK oberflächengleich wie Pin-KK 35

36 Thermischer Widerstand R th [K/W] ZFW 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 Vergleich von Pin- und Rippenkühlkörper Heizleistung je Strömungskanal 20 W, Umgebungstemperatur 23 C Rippen-KK volumengleich wie Pin-KK Rippen-KK oberflächengleich wie Pin-KK Pin-KK 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 Strömungsgeschwindigkeit v [m/s] 36

37 Fehler Nr. 5 Die angegebenen R th -Werte im Datenblatt des Kühlkörpers werden nicht hinterfragt 37

38 Der Wärmepfad von der Quelle bis zur Umgebung 38

39 Beispiel für Wärmepfad R th,junction-case R th,case-solder R th,solder-substrat R th,substrat-tim R th,tim-kühlkörper R th,kühlkörper-umgebung 39

40 Beispiel: Thermische Widerstandskette eines SMD D2PAK zum Kühlkörper Q Typische min-max R th -Werte, D2PAK auf LP gelötet, Gesamt-R th,j TIM ~ 8 K/W Rth Chip Rth TIM Lot 1 Rth Case 0,5 1,5 typ. D2PAK-Werte Thermal Via Array (40) Rth TIM Lot 2 0,1 0,05 KK Lot 2 Leiterplatte TIM Rth LP 1,6 mm Rth TIM, 1 mm, 1 W/(mK) Rth KK, nicht betrachtet 0,1 1 1, Rth in K/W 6 CU Inlay Umgebungsluft oder Coolplate 40

41 Fehler Nr. 6 Änderungen im Wärmepfad im blinden Eifer, ohne thermischen Flaschenhals zu kennen 41

42 Zusammenfassung 1. Strahlung wird unterschätzt 2. Stoffwerte werden für beliebig genau gehalten 3. Simulationsergebnisse werden für beliebig genau gehalten 4. TIMs werden nach ihrer Wärmeleitfähigkeit bewertet 5. Bei Kühlkörpern werden Herstellerangaben nicht hinterfragt 6. Bei der Optimierung von Wärmepfaden wird nicht zuerst der Flaschenhals gesucht. 42

43 Der 2. Hauptsatz im Berufsalltag DS 0 abgeschlossenes, sich selbst überlassenes System 43

44 Der neue Praktikant unter erfahrenen Kollegen 44

45 Fehler Nr. 7 Bestehendes wird nicht hinterfragt 45

46 Fazit Thermische Optimierung erfordert im frühen Entwicklungsstadium: - systematische Analyse der Wärmepfade - Erkennen der kritischen Stellen und Hotspots - Anpassung des thermischen Designs, Auswahl von aktiven und passiven Kühlmaßnahmen. 46

47 Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Andreas Griesinger Telefon 07127/