Einführung zum Wärmewiderstand in der modernen Elektronik
19.03.2021
Da Geräte immer leistungsfähiger und kompakter werden, war das optimale Wärmemanagement der Elektronik für Ingenieure in nahezu allen Branchen ein ständiger Kampf. Obwohl es viele kreative Lösungen gibt, um Wärme von heißen Komponenten wie Lüftern, Flüssigkeitskühlern, Wärmerohren usw. wegzuleiten, werden an den Komponenten selbst viele Fortschritte erzielt, um die Wärmeleistung eines Systems von Grund auf zu optimieren. Für ein besseres Verständnis für die Optimierung Ihrer Komponenten und Wärmemanagementsysteme werden in diesem Artikel die Hauptkomponenten der Wärmeleistung in der Elektronik beschrieben und einige kritische Parameter aufgeführt, die auf Komponentenebene zur Optimierung der Vielseitigkeit und Leistung des Systems geändert werden können.
Betriebsumgebungstemperaturen
Bei der Entwicklung eines Endprodukts wie eines IoT-Geräts, eines medizinischen Geräts oder einer industriellen Sensorbaugruppe hat fast jede Komponente eine maximale Umgebungstemperatur als Parameter. Diese maximale Umgebungstemperatur wird vom Hersteller festgelegt, um sicherzustellen, dass die geforderte Leistung des Geräts erreicht wird und seine physikalischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Einige Schalttransistoren können beispielsweise sehr hohe Leistungen schalten, wenn sie jedoch zu hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, können ihre eigenen internen Halbleiterübergänge schmelzen. Zudem beeinflusst die Temperatur direkt die Leitfähigkeitseigenschaften von Materialien und kann demzufolge die Leistung eines Bauelements behindern oder verändern, falls die maximale Betriebstemperatur überschritten wird.
Wärme von der Quelle wegführen
Bei Geräten mit festen Schwellenwerten für interne Verlustleistung und Umgebungstemperatur wie bei den meisten Spannungswandlern und ICs hängt die Oberflächentemperatur des Gehäuses vom inneren Wärmewiderstand und der Wirksamkeit der Wärmeübertragung zur Umgebung ab. Der innere Wärmewiderstand beschreibt, wie effizient die Wärme von der Wärmequelle zur Oberfläche übertragen wird. Bei Wärmemanagement denken jedoch die meisten Leute an die Wirksamkeit der Wärmeübertragung des Bauelements an die Umgebung – d.h. Konvektion, Wärmeleitung und/oder Wärmeabstrahlung. Die Methoden sind häufig passive Wärmetauscher, Lüfter, Flüssigkeitskühlsysteme, Kühlkörper usw.
Figure 1: Heat extraction paths from a cylindrical PCB-mounted capacitor
Um eine akzeptable Gehäusetemperatur aufrechtzuerhalten, sollte sowohl der innere Wärmewiderstand des Bauelements als auch dessen Wärmeübertragung zur Umgebung direkt beeinflusst werden. Ein thermisch perfektes Bauelement hat keinen Wärmewiderstand und eine unendliche Wärmeabgabe an die Umgebung. Da Bauelemente aus realen Materialien bestehen – von denen jedes seine eigenen Eigenschaften des Wärmewiderstands hat – und kein System Wärme perfekt übertragen kann, müssen Konstrukteure versuchen, die thermische Leistung aller wichtigen Bauelemente von Anfang an zu optimieren.
Feste Variablen
Verschiedene Parameter einer Anwendung sind häufig festgelegt und erfordern eine Konstruktion, die diese Anforderungen erfüllt. In manchen Fällen sind der Wirkungsgrad einer Komponente, die Umgebungstemperatur und der Mechanismus der Wärmeübertragung des Systems Variablen, die von der Endanwendung festgelegt werden. Häufig lassen sich akzeptable Betriebsbedingungen und niedrige Gehäusetemperaturen für ein Bauelement nur erreichen, indem ein Bauelement mit einem verbesserten internen thermischen Design und mit niedrigeren inneren Wärmewiderständen gewählt wird.
Optimierter innerer Wärmewiderstand
Es gibt zwei kritische Parameter, die den Gesamtwärmewiderstand eines Bauelements und schließlich die Betriebstemperatur der Wärmequelle sowie die Gehäusetemperatur bestimmen – Ψjt und θja. Beide Werte Ψjt und θja sind spezifische Widerstandsparameter, die für jedes Bauelement individuell sind und sich bei verschiedenen Packungsmethoden unterscheiden. Ψjt ist der thermische Charakterisierungsparameter, der den Mehrweg-Wärmefluss von der Wärmequelle zu den Gehäuseoberflächen misst, während θja den geradlinigen Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und Umgebungstemperatur darstellt. Ψjt ist leistungsabhängig. Eine Erhöhung von Ψjt bei höherer Verlustleistung und höheren Gehäusetemperaturen kann schließlich die Leistung des Bauelements beeinträchtigen. Selbst wenn Ψjt optimiert ist, kann ein hoher Widerstandswert θja zu überhöhten Gehäusetemperaturen und einem begrenzten Betriebstemperaturbereich führen.
Es können viele Verbesserungen gemacht werden, um Ψjt und θja zu verringern, etwa bei Materialoptimierung, Herstellungstechniken und einer Vielzahl der Wärmeübertragungsmethoden vom Übergang zur Umgebung. Einer der jüngsten Fortschritte bei der Verringerung des Wärmewiderstands ist 3D Power Packaging®. Mit Techniken des 3D Power Packaging® (3DPP) wie FCOL, eingebetteten ICs, thermischen Durchkontaktierungen und mehr ist es RECOM gelungen, die Werte Ψjt und θja deutlich zu verbessern. Durch diese verringerten Werte in 3DPP-Produkten kann eine höhere Leistung erreicht werden, ohne dass die Umgebungstemperatur des Bauelements begrenzt werden muss. Lösungen mit hoher Leistungsdichte wie die 3DPP-Produkte sind für leistungsfähige und hocheffiziente Geräte entwickelt, ohne dass diese aktive Kühlmethoden oder große passive Kühlkörper erfordern.
Weitere Informationen zur neuesten 3DPP-Technologie von RECOM sowie zur Bedeutung eines geringen Wärmewiderstands bei hocheffizienten Leistungskonstruktionen finden Sie auf der 3DPP-Anwendungsseite oder Sie bestellen ein 3DPP-Evaluierungs-Board unter info@recom-power.com.
Bei der Entwicklung eines Endprodukts wie eines IoT-Geräts, eines medizinischen Geräts oder einer industriellen Sensorbaugruppe hat fast jede Komponente eine maximale Umgebungstemperatur als Parameter. Diese maximale Umgebungstemperatur wird vom Hersteller festgelegt, um sicherzustellen, dass die geforderte Leistung des Geräts erreicht wird und seine physikalischen Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Einige Schalttransistoren können beispielsweise sehr hohe Leistungen schalten, wenn sie jedoch zu hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, können ihre eigenen internen Halbleiterübergänge schmelzen. Zudem beeinflusst die Temperatur direkt die Leitfähigkeitseigenschaften von Materialien und kann demzufolge die Leistung eines Bauelements behindern oder verändern, falls die maximale Betriebstemperatur überschritten wird.
Wärme von der Quelle wegführen
Bei Geräten mit festen Schwellenwerten für interne Verlustleistung und Umgebungstemperatur wie bei den meisten Spannungswandlern und ICs hängt die Oberflächentemperatur des Gehäuses vom inneren Wärmewiderstand und der Wirksamkeit der Wärmeübertragung zur Umgebung ab. Der innere Wärmewiderstand beschreibt, wie effizient die Wärme von der Wärmequelle zur Oberfläche übertragen wird. Bei Wärmemanagement denken jedoch die meisten Leute an die Wirksamkeit der Wärmeübertragung des Bauelements an die Umgebung – d.h. Konvektion, Wärmeleitung und/oder Wärmeabstrahlung. Die Methoden sind häufig passive Wärmetauscher, Lüfter, Flüssigkeitskühlsysteme, Kühlkörper usw.
Figure 1: Heat extraction paths from a cylindrical PCB-mounted capacitor
Um eine akzeptable Gehäusetemperatur aufrechtzuerhalten, sollte sowohl der innere Wärmewiderstand des Bauelements als auch dessen Wärmeübertragung zur Umgebung direkt beeinflusst werden. Ein thermisch perfektes Bauelement hat keinen Wärmewiderstand und eine unendliche Wärmeabgabe an die Umgebung. Da Bauelemente aus realen Materialien bestehen – von denen jedes seine eigenen Eigenschaften des Wärmewiderstands hat – und kein System Wärme perfekt übertragen kann, müssen Konstrukteure versuchen, die thermische Leistung aller wichtigen Bauelemente von Anfang an zu optimieren.
Feste Variablen
Verschiedene Parameter einer Anwendung sind häufig festgelegt und erfordern eine Konstruktion, die diese Anforderungen erfüllt. In manchen Fällen sind der Wirkungsgrad einer Komponente, die Umgebungstemperatur und der Mechanismus der Wärmeübertragung des Systems Variablen, die von der Endanwendung festgelegt werden. Häufig lassen sich akzeptable Betriebsbedingungen und niedrige Gehäusetemperaturen für ein Bauelement nur erreichen, indem ein Bauelement mit einem verbesserten internen thermischen Design und mit niedrigeren inneren Wärmewiderständen gewählt wird.
Optimierter innerer Wärmewiderstand
Es gibt zwei kritische Parameter, die den Gesamtwärmewiderstand eines Bauelements und schließlich die Betriebstemperatur der Wärmequelle sowie die Gehäusetemperatur bestimmen – Ψjt und θja. Beide Werte Ψjt und θja sind spezifische Widerstandsparameter, die für jedes Bauelement individuell sind und sich bei verschiedenen Packungsmethoden unterscheiden. Ψjt ist der thermische Charakterisierungsparameter, der den Mehrweg-Wärmefluss von der Wärmequelle zu den Gehäuseoberflächen misst, während θja den geradlinigen Wärmewiderstand zwischen Wärmequelle und Umgebungstemperatur darstellt. Ψjt ist leistungsabhängig. Eine Erhöhung von Ψjt bei höherer Verlustleistung und höheren Gehäusetemperaturen kann schließlich die Leistung des Bauelements beeinträchtigen. Selbst wenn Ψjt optimiert ist, kann ein hoher Widerstandswert θja zu überhöhten Gehäusetemperaturen und einem begrenzten Betriebstemperaturbereich führen.
Es können viele Verbesserungen gemacht werden, um Ψjt und θja zu verringern, etwa bei Materialoptimierung, Herstellungstechniken und einer Vielzahl der Wärmeübertragungsmethoden vom Übergang zur Umgebung. Einer der jüngsten Fortschritte bei der Verringerung des Wärmewiderstands ist 3D Power Packaging®. Mit Techniken des 3D Power Packaging® (3DPP) wie FCOL, eingebetteten ICs, thermischen Durchkontaktierungen und mehr ist es RECOM gelungen, die Werte Ψjt und θja deutlich zu verbessern. Durch diese verringerten Werte in 3DPP-Produkten kann eine höhere Leistung erreicht werden, ohne dass die Umgebungstemperatur des Bauelements begrenzt werden muss. Lösungen mit hoher Leistungsdichte wie die 3DPP-Produkte sind für leistungsfähige und hocheffiziente Geräte entwickelt, ohne dass diese aktive Kühlmethoden oder große passive Kühlkörper erfordern.
Weitere Informationen zur neuesten 3DPP-Technologie von RECOM sowie zur Bedeutung eines geringen Wärmewiderstands bei hocheffizienten Leistungskonstruktionen finden Sie auf der 3DPP-Anwendungsseite oder Sie bestellen ein 3DPP-Evaluierungs-Board unter info@recom-power.com.
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