"Intelligente Elektronik erfordert clevere Lösungen" als PDF
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Special: WeiSSe Ware Wärmemanagement intelligente elektronik erfordert clevere lösungen CAD­Bild eines typischen Aufbaus einer Steuereinheiten in Haushaltsgeräten mit Standard Strangpressprofil Kühlkörper, Transistorlammer 4 x 499/Einfach mit Einpressmutter und Thermosilikonfolie. Durch den weiter ansteigenden anteil der elektronik in den Geräten der Weiße Ware, nimmt auch die anforderung an ein effizientes Wärmemanagement zu. Die besondere Herausforderung besteht in dieser Branche auch darin, beste produkte zu annehmbaren preisen zu erhalten. Kunze Folien stellt sich dieser Herausforderung. Besonders in den Großgeräten der Weißen Ware kommt vermehrt intelligente Elektronik zum Einsatz, um die Energiebilanz dieser Geräte, die sich in den Energieeffizienzklassen ausdrückt, immer besser aussehen zu lassen. Ein weiterer Treiber für den Elektronikeinsatz ist der Bedienungskomfort, der für die Anwender immer einfacher ausfallen soll. Mit der Zunahme der Halbleiter und besonders der Leistungshalbleiter müssen sich die Entwickler der Weißen Ware gesteigert mit dem Thema Entwärmung auseinandersetzen – und dabei die Kosten im Auge behalten. Eine Lösung, die Kosten im Rahmen zu halten, ist der Einsatz von Standardware. In Frage kommen Lösungen wie TransistorKlammern, Kühlbleche, Kühlkörper, Thermosilikonfolien, und Phase Change Interface Material (PCM). Transistorklammern Die auf den ersten Blick trivialen Befestigungsklammern für Leistungstransistoren beinhalten ein hohes Know How im Wärmemanagement. Ziel ist z. B. ein optimales thermisches Zusammenwirken von Halbleiterklammern, Thermo Interface Materialien (TIMs) und Kühlkörpern durch ein abgestimmtes Clipdesign (Bild 1 und aufmacherbild). In der Weißen Ware werden die Powerclips Klammern bevorzugt geschraubt, da diese durch z. B. den Schleudergang bei der Waschmaschine starken Vibrationen ausgesetzt sind. Kraft-Wege-Diagramme ermöglichen eine optimale Auslegung innerhalb der Applikation im Motorantrieb oder bei der Heizungssteuerung. Die Transistorklammern sind 100 % korrosionsfrei durch Einsatz von rostbeständigem Stahl 1.4310 und werden für die verbreiteten Transistortypen wie TO-220, TO-126 aber auch TO-3P, TO-247/248, Multiwatt, 2 x TO-220 oder TO-220/TO-3P gemischt und Brückenflachgleichrichter angeboten. Von Kunze sind mehr als 30 Standardklammertypen ab Lager lieferbar. Außerdem gibt es Mehrfachklammern (Bild 2). Bei diesen ist die Anzahl der Finger frei wählbar, es entstehen keine zusätzlichen Werkzeugkosten. Kundenspezifische CAD-Design und Konstruktion von Powerclips gibt es auf Anfrage, zudem sind alle Befestigungsklammern auch in isolierter Ausführung lieferbar. Thermosilikonfolien Bild 1: Transistorklammer im Detail, hier Mon­ tagebeispiel Mehrfachklammer Powerclip für zwei TO­220 Transistoren mit Zentrierhalter, Montageelement und Kühlkörper. (Alle Bilder: Kunze Folien) ˘ aUTOr Wolfgang Reitberger ist Geschäftsführer und Produktionsleiter/Folien der Kunze Folien GmbH. 34 Bild 2: Mehrfachklammern geschraubt auf Kühl­ körper wie hier gezeigt oder auf Kühlblech, wenn eine preiswertere Lösung erforderlich wird. Als Anwendungsbeispiele für Thermosilikonfolien, deren Aufgabe die thermische Anbindung und gleichzeitige elektrische Isolation von Wärmequelle und -senke ist, kann man die Leistungshalbleiter und -Module im elektrischen Antrieb von Waschmaschinen und Trocknern nennen. Hier wird die Wärmeleitfähigkeit des Silikons durch Zugabe von thermisch leitenden Keramiken (z. B. Bornitrid, Al2O3, AlN) in die polymere Struktur der Elastomere erzielt. Bei Druckausübung kommt die gute Anpassungsfähigkeit von Silikon zum Tragen, das Material passt sich sehr gut an die Kontaktflächen an, wodurch der thermische Gesamtübergangswiderstand minimiert wird. Diese Interface Materialien gibt es in unterschiedlichen Dicken und Härtegraden sowie in verschiedenen Füllgraden, daraus resultierend entstehen unterschiedliche Wärmeleitwerte, die je nach Applikationsanforderung vom Anwender eingesetzt werden können. Dabei können im Gegensatz zu den PCM größere Abstände zwischen der Wärmequel- elektronik industrie 5 - 2010 Special: Weisse Ware Bild 3: Thermische Leitfähigkeit und Wärmeübergangs­ widerstand sowie Durchschlags­ spannung für einige Thermosilikonfolien. Bild 4: Thermischen Gesamtübergangswider­ stand verschiedener PCMs. le und der -senke überbrückt werden, z. B. 0,1 mm, 0,45 mm oder bis zu 0,8 mm. Da die Geräte der Weißen Ware oft Erschütterungen ausgesetzt sind, sorgt zusätzliches Glasfasergewebe oder ein ­Polyimidsubstratträger für zusätzliche mechanische Stabilität. Bild 3 zeigt thermische Leitfähigkeit und Wärmeübergangswiderstand sowie Durchschlagsspannung für einige Thermosilikonfolien. Weitere vorteilhafte Materialeigenschaften der Thermosilikonfolien sind die hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Stabilität eine lange Lebensdauer sowie die hohe elektrische Spannungsfestigkeit des Silikon in Verbindung mit den keramischen Füllstoffen. Phase Change Material Phase Change Material (PCM) oder zu gut deutsch wärmeleitendes Material mit Phasenwechsel kommt als Ersatz der Wärmeleitpaste zum Einsatz und eignet sich zum Überbrücken von Abständen im µm-Bereich bis ca. 70 µm. Gegenüber dieser Lösung, Wärmeleitpaste wird in Verbindung mit Glimmerscheiben appleziert, ergibt sich beim Einsatz von Phase Change eine gesicherte Reproduzierbarkeit. Das Material zeichnet sich, wie es der Name sagt, durch einen Phasenwechsel ab einer bestimmten Temperatur aus, die bei 51 … 60 °C liegen kann. Bei Unterschreiten der Temperatur kehrt das Medium wieder in den festen Zustand zurück. Beim Übergang in den weichen Zustand expandiert das Material aktiv 15 bis 20 %, wodurch die Kontaktoberflächen benetzt, Lufteinschlüsse aus Mikroporen ausgetrieben und Unebenheiten ausgeglichen werden. Dadurch wird der Gesamtübergangswiderstand erheblich reduziert und der Wärmeübergang maximiert. Die von Kunze Folien angebotenen Phasenwechselmaterialien (Crayotherm) können je nach Anforderung zur mechani- elektronik industrie 5 - 2010 schen Stabilisierung auf elektrisch isolierenden Trägern wie z.B. Polyimide oder anderen Kunststoffe geliefert werden, oder aber auf elektrisch leitende Metalle wie z. B. Aluminium. Bild 4 zeigt den thermischen Gesamtübergangswiderstand verschiedener PCMs. Das PCM wird auch einseitig selbstklebend (Acrylatkleber) angeboten oder mit seitlichem Klebestreifen. schinen und Trocknern verwendet (Bild 5). Eine preiswerte Lösung stellen Stanzkühlkörper und Kühlbleche dar, auf die mittels Klammern oder direkt geschraubt von mehreren Leistungs­transistoren die Wärme abgeführt wird (Bild 6). Die Kühlbleche und -winkel, meist aus ALMG3 (möglich auch Kupfer, Messing o. ä.) werden auch mit gestanzten Befestigungslöchern für die Transistor-Klammern geliefert. Kühlkörper und -bleche Schlussbemerkung Die in den Leistungsbauteilen entstandene Verlustwärme muss im Endeffekt immer auf eine Wärmesenke abgeleitet werden, die ein Kühlkörper oder ein Kühlblech sein kann oder auch das Gehäuse eines Steuergerätes bzw. eine in der Weißen Ware reichlich vorhandene Gehäusefläche. Kühlkörper in Form von Strangprofilen werden auf die Einzeltransistoren der Leistungsendstufen z. B. für den Trommelantrieb bei Waschma- Für die verschiedenen Leistungselektronikanforderungen wie Leistungshalbleiter und -module, in den elektrischen Antrieben, in der Motorsteuerung, in der Heizungssteuerung usw. in der Weißen Ware gibt es für ein effizientes Wärmemanagement die hier gezeigten Lösungen, die der Preissensitivität in dieser Branche entgegen kommt. Angefangen von der „einfachen“ Klammer, über Kühlkörper und -bleche bis hin zu den Thermosilikonfolien und dem PCM. Bislang nicht genannt wurden elektrisch isolierende wärmeleitende Silikonkappen und Schläuche, die über die Leistungstransistoren geschoben werden. Schläuche sind preiswert, schützen vor Überschlag und leiten die Wärme in Verbindung mit Befestigungsklammern auf eine Wärmesenke ab. Sie werden von Kunze je nach Kundenanforderung auf die erforderliche Länge zu geschnitten oder als Meterware geliefert. Kappen haben gegenüber den Schläuchen den Vorteil rundherum zu isolieren, können ebenfalls kundenspezifisch zugeschnitten werden sind aber aufgrund der besseren elektrischen Isolationseigenschaften im Preis höher anzusetzen. (sb) Bild 5: Anwendungsbeispiel Leistungstransistor mit Steck- und Bügelklammer auf Profilkühlkörper. ˘ infoDIRECT Bild 6: Anwendungsbeispiel Leistungstransistor mit Steck-und Bügelklammer auf Kühlblech. 421ei0510 ˘ Link zu Kunze Folien www.elektronik-industrie.de 35
