Entwärmungskonzepte für neue Bauelemente auf Schaltungsträgern

Diplomarbeit von Harald Hügel

Einleitung:

Für die Fertigung der elektronischen Produkte ist die Verwendung von modernen Bauelementen notwendig. Die moderne Elektronikproduktion ist gekennzeichnet durch eine stetige Miniaturisierung bei gleichzeitig ansteigender Funktionalität der Bauelemente. Die Verlustleistung der Bauelemente nimmt zu, wobei die Temperatur der Bauelemente, die kritische Sperrschichttemperatur relativ schnell erreicht. Es kommt dann zu thermischen Ausfällen oder sogar zu einer thermischen Zerstörung der Bauelemente.

Die Bauelemente werden auf Schaltungsträgern montiert und bilden zusammen mit vielen anderen Bauelementen die elektronische Einheit. Die Bauelemente geben ihre Verlustleistung zunächst an den Schaltungsträger und an die umgebende Luft im jeweiligen Geräte-Gehäuse ab. Es entsteht auf diese Art ein Wärmestau, da die Wärme nicht ideal nach aussen abgeleitet wird. Das Gehäuse erreicht nach einiger Zeit eine bestimmte Arbeitstemperatur und es stellt sich ein Gleichgewicht von zugeführter Leistung (Wärme) zur abgeführten Leistung ein. Wenn die Wärmeübertragung vom Bauelement zur Umgebung behindert wird, bleibt das Metall-Gehäuse kühl, obwohl im Inneren der elektronischen Einheit die Bauelemente an ihre thermische Maximaltemperatur geraten. Verantwortlich hierfür ist eine unzureichende Wärmeübertragung. Die für die Fertigung eingesetzten Materialien beeinflussen die Qualität der Wärmeübertragung erheblich, angefangen vom Bauelement, den Materialien für die Befestigung der Bauelemente auf den Schaltungsträgern, den Schaltungsträgern selbst, dem Gehäuse bis zum Einbau- bzw. Einsatzort eines speziellen Gerätes.

Das Design von Geräte-Gehäusen ist meist verbindlich festgelegt. Die relativ einfache Entwärmung mit Hilfe eines Ventilators und offenem Gehäuse ist oft nicht möglich. Das bestehende elektrische und mechanische Design darf, aufgrund der Kosmetik, nicht verändert werden. Die Geräte werden zukünftig eine zunehmende Integrationsdichte aufweisen.

Für die meisten modernen elektrischen Geräte wird ein innovatives Wärmemanagement gefordert. Das Ziel hierbei ist eine ausreichende Wärmeübertragung von den wärmeabgebenden Bauelementen an die Umgebung. Eine lokale Überhitzung der einzelnen Bauelemente kann dadurch verhindert und damit die gesamte Produktqualität verbessert werden. Durch eine Erhöhung der Wärmeübertragung kann eine Reduzierung der Maximaltemperaturen die Zuverlässigkeit der einzelnen Bauelemente erhöhen. Das elektrische als auch das mechanische Design der Schaltungsträger bleibt dadurch unverändert.

Anhand einer Literaturrecherche ist ein detaillierter Überblick über den derzeitigen Stand der Technik bei Entwärmungskonzepten erarbeitet worden. Die neuen Bauelemente sowie die Schaltungsträger wurden hierbei aus Sicht des Wärmemanagements analysiert. Als Bauelemente kommen auch solche ohne Gehäuse in betracht. Hierbei wurden die Bauelemente ausgehend vom Halbleiterchip, schichtweise analysiert und die vorhandenen Entwärmungskonzepte erfasst.

Die systematische Betrachtung basiert auf dem bereits vorhandenen Ebenenmodell. Nach diesem Modell bilden der Halbleiterchip, die Materialien zur Chip-Befestigung und das Substrat die Nullte-Ebene. In dieser Ebene ergeben sich, aus Wärmetechnischer Sicht, mögliche Erhöhungen der Wärmeübertragung bei der Chip-Befestigung und den Substraten. In der nächsthöheren Betrachtungsebene, der Ersten-Ebene, kann durch eine geeignete Wahl der Gehäusefüllermaterialien, der Gehäusevergussmassen und der Gehäuse-Anschlussbeine ebenfalls zur Erhöhung der Wärmeübetragung beigetragen werden.

Die Konzepte dieser beiden Ebenen tragen erheblich zur Verbesserung der Wärmeübetragung bei und können die unerwünschten lokalen Überhitzungen vermeiden.

Der Schaltungsträger kann ebenfalls zur effektiven Wärmeübetragung beitragen, in dem zum Beispiel der Kupfergehalt erhöht wird. Relativ preiswerte Konzepte wie die sogenannten Wärmeableitbohrungen oder Heatsink-Leiterplatten machen sich dieses zum Vorteil. Die nächsthöhere Ebene, bestehend aus den Verbindungen zwischen den einzelnen Schaltungsträgern, sowie die Verbindung zum Gehäuse, gehört nicht mehr in den Rahmen dieser Ausarbeitung, da das Design des Gehäuses nicht modifiziert werden darf.

Die gefundenen Konzepte werden jeweils detailliert beschrieben und mit geeigneten Bewertungskriterien bewertet. Dadurch werden die besten Konzepte zur Wärmeübertragung zusammengefasst und können für die optimierte Entwärmung von Geräten Verwendung finden.

Eine Zeitabschätzung, wie dies zum Beispiel bei konkreten Projekten der Konstruktion üblich ist, kann bei dieser Ausarbeitung nicht erfolgen.

Ein Prototypengerät kann nur in Zusammenarbeit mit dem zuständigen Team mit den geeigneten Entwärmungskonzepten versehen werden. Die Adaption dieser Konzepte in das Produkt erfolgt deshalb nur mit Absprache des Teams. Eine Dauer von etwa 4 Monaten dürfte hierfür jedoch ausreichen. Um die Zeit effektiv zu nutzen, kann parallel hierzu das bereits serienreife Gerät modifiziert werden. Hierbei ist bereits bei der Auswahl des Schaltungsträgers bis hin zur geeigneten Vergussmasse die richtige Wahl zu treffen. Die entsprechenden Komponenten sind bei den entsprechenden Herstellern zu kaufen. Bis auf den Schaltungsträger handelt es sich bei den geeigneten Entwärmungskonzepten um Standardprodukte. Deshalb sind keine grossen Wartezeiten zu erwarten. Dieses Produkt ist mit den Geräten der Serienfertigung innerhalb von 12 Wochen zu fertigen. Diese 12 Wochen können je nach Bedarf innerhalb der 4 Monate eingeteilt werden.

Zur Realisierung eines optimalen Entwärmungskonzeptes stehen sehr viele Komponenten mit einer jeweils sehr breiten Produktpalette zur Auswahl. Selbst innerhalb einer Produktserie sind Preisschwankungen von bis zu 30 % möglich. Viele Hersteller machen erst einen konkreten Kostenvoranschlag, wenn ein Auftrag erteilt wurde. Hierzu werden jedoch konkrete Produktanforderungen benötigt. Diese können aus jetztiger Sicht noch nicht gemacht werden.

Da es sich bei den zu kaufenden Komponenten um Prototypen und Einzelkaufteile handelt, wird ein entsprechend hoher Einkaufspreis zu bezahlen sein. Um ein Gerät optimal zu entwärmen werden etwa 500 DM bis 1000 DM an Materialkosten anfallen. Können Standard-Komponenten gekauft werden, so dürften 500 DM bei weitem ausreichen. Sind einige Komponenten wie zum Beispiel der Schaltungsträger oder die Substrate als Prototypen zu fertigen, wird sich der Preis verdoppeln. Zu diesen Kosten kommt noch der Lohn eines Diplomanden für die Dauer von vier Monaten hinzu.

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