Die Anwendung von Kühlkörpern in der Halbleiterindustrie

Wärmesinke sind kritische Komponenten in der Halbleiterindustrie und spielen eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung der thermischen Leistung und der Gewährleistung der Zuverlässigkeit elektronischer Geräte. Da Halbleitergeräte weiterhin an Größe schrumpfen und gleichzeitig an Leistungsdichte zunehmen, ist ein effektives Wärmemanagement zu einem Eckpfeiler des modernen Elektronikdesigns geworden. Dieser Artikel untersucht die Technologien hinter Kühlkörpern, ihre Anwendungen in der Halbleiterindustrie und zukünftige Trends auf diesem Gebiet.

Wärmesinktechnologie und Anwendungen

1. Überblick über die Prozesstechnologie

Kühlkörper sind so konzipiert, dass Wärme von einer festen Oberfläche, vor allem durch Leitung und Konvektion, abgeleitet wird. Sie sind typischerweise aus hochwärmeleitfähigen Materialien wie Aluminium, Kupfer oder einer Kombination beider hergestellt. Fertigungsprozesse umfassen Extrusion, Druckguss, Bearbeitung und kürzlich additive Fertigung für komplexe Geometrien. Oberflächenbehandlungen wie Anodisierung oder Beschichtung verbessern die Korrosionsbeständigkeit und die Wärmeübertragungseffizienz.

1.1 Allgemeine Punkte

Um eine optimale Leistung von Halbleitergeräten zu gewährleisten, ist es wichtig, die vom Hersteller angegebene maximale Verbindungstemperatur nicht zu überschreiten.

In der Regel kann diese maximale Verbindungstemperatur nur durch den Betrieb der betreffenden Vorrichtung mit niedrigeren Leistungsausgängen gehalten werden, ohne sie zu überschreiten.

Bei den maximalen Nennausgängen müssen Halbleitergeräte durch sogenannte Kühlkörper gekühlt werden.

Die thermische Leistung dieser Kühlkörper hängt in erster Linie von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab, aus dem sie hergestellt sind, der Flächengröße und der Masse.

Darüber hinaus haben Oberflächenfarbe, Montageposition, Temperatur, Umgebungsluftgeschwindigkeit und Montageplatz von Anwendung zu Anwendung unterschiedlichen Einfluss auf die Endleistung des Kühlkörpers.

Es gibt keine vereinbarten internationalen Standardmethoden zur Prüfung elektronischer Kühlsysteme oder zur Bestimmung des Wärmewiderstands.

1.2. Bestimmung des thermischen Widerstands

Der thermische Widerstand ist der wichtigste Parameter bei der Kühlerauswahl, abgesehen von mechanischen Überlegungen. Zur Bestimmung des thermischen Widerstands gilt folgende Gleichung:

Gleichung 1: RthK = − ( RthG + RthM ) = − RthGM

Bei einer Anwendung, bei der die maximale Verbindungstemperatur nicht überschritten wird, muss die Temperatur überprüft werden.

Wenn die Gehäusetemperatur gemessen wurde, ermöglicht die Verwendung der folgenden Gleichung die Berechnung der maximalen Verbindungstemperatur:

Gleichung 2: θi = θG + P x RthG

Die Bedeutung der Determinanten:

θi = maximale Verbindungstemperatur in °C der Vorrichtung, wie vom Hersteller angegeben. Als »Sicherheitsfaktor« sollte dies um 20-30 °C reduziert werden.

θu = Umgebungstemperatur in °C.

Der durch Strahlungswärme des Kühlkörpers verursachte Temperaturanstieg sollte um eine Marge von 10-30°C erhöht werden.

Δθ = Differenz zwischen maximaler Verbindungstemperatur und Umgebungstemperatur.

θG = gemessene Temperatur des Gerätegehäuses (Gleichung 2).

P = maximale Nennleistung des Geräts in [W] Rth = thermischer Widerstand in [K/W]

RthG = interner Wärmewiderstand des Halbleitergerätes (wie vom Hersteller angegeben)

RthM = thermischer Widerstand der Montagefläche. Für TO 3 Fälle gelten die folgenden ungefähren Werte:

1. trocken, ohne Isolator 0,05 - 0,20 K/W

2. mit thermischer Verbindung/ohne Isolator 0,005 - 0,10 K/W

3. Aluminiumoxidwafer mit thermischer Verbindung 0,20 - 0,60 K/W

4. Mica Wafer (0,05 mm dick) mit thermischer Verbindung 0,40 - 0,90 K/W

RthK = Wärmewiderstand des Kühlkörpers, der direkt aus den Diagrammen entnommen werden kann

RthGM = Summe von RthG und RthM. Bei parallelen Verbindungen mehrerer Transistoren kann der Wert RthGM durch folgende Gleichung bestimmt werden:

Gleichung 3: = + + . .. +

Das Ergebnis kann durch Gleichung 1 ersetzt werden.

K = Kelvin, das Standardmaß für Temperaturunterschiede ist, gemessen in °C, also 1 °C = 1 K.

K/W = Kelvin pro Watt, die Einheit des thermischen Widerstands.

Berechnungsbeispiele:

1. Ein TO 3-Leistungstransistor mit 60 Watt-Nenntemperatur hat eine maximale Verbindungstemperatur von 180 °C und einen Innenwiderstand von 0,6 K/W bei einer Umgebung von 40 °C mit Aluminiumoxidwafern.

Welcher Wärmewiderstand ist für den Kühlkörper erforderlich?

gegeben:

P = 60 W R thG = 0,6 K/W

θi = 180 °C - 20 °C = 160 °C (für Sicherheitsmarge) RthM = 0,4 K/W (Durchschnittswert)

θu = 40 °C

finden: RthK mit Gleichung 1 RthK = θi θu − (RthG + RthM) = − (0,6 K/W + 0,4 K/W) = 1,0 K/W

1.3 Gleiche Bedingungen wie oben, aber für drei Geräte mit gleich verteilter Nennleistung.

Lösung verwenden Gleichung 1 und Gleichung 3 = + + = W/K RthGM GES. = K/W = 0,33 K/W

Ersatz in Gleichung 1 ergibt: RthK = _ 0,33 K/W = 1,67 K/W

Mit diesen Werten kann die Tabelle auf Seiten A 13 - 17 zur Auswahl möglicher Kühlkörperprofile verwendet werden. Dann kann durch Prüfung der Zeichnungen und Kurven die endgültige Wahl getroffen werden.

3. Ein Transistor mit einer Nennleistung von 50 W und einem inneren Wärmewiderstand von 0,5 K/W hat eine Gehäusetemperatur von 40 °C. Was ist der tatsächliche Wert der Verbindungstemperatur?

gegeben:

P = 50 W R thG = 0,5 K/W θG = 40 °C

find: θiusing Gleichung 2

θi = θG+ (P • RthG) θi = 40 °C + (50 W • 0,5 K/W) = 65 °C

Wärmewiderstände beliebiger Profile mit Zwangskonvektion

RthKf ≈ a • RthK

RthKf = thermischer Widerstand bei Zwangskonvektion

RthK = thermischer Widerstand mit natürlicher Konvektion

a = Verhältnisfaktor

2.Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit von elektronischen Halbleitergeräten werden wesentlich durch die thermische Belastung bestimmt, der die Geräte ausgesetzt sind. Eine Überschreitung der maximalen Betriebstemperatur führt zu Störungen. Ein Überschreiten der zulässigen Verbindungstemperatur führt zu einer Zerstörung des Halbleiters. Noch schlimmer ist es, dass in der Halbleiterindustrie ein Trend zur kontinuierlich steigenden Integrations- und Leistungsdichte elektronischer Geräte besteht. Bei der Lösung thermischer Probleme ist die erste Frage, welche Art von Wärmeabfuhr zu berücksichtigen ist. Dazu stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung: mittels freier Konvektion (passiv) mit verschiedenen Kühlkörperlösungen, mittels Zwangskonvektion (aktiv mit Hilfe von Lüftern, Kühlaggregaten) oder mittels flüssiger Medien (Flüssigkeitskühlung).

Elektronische Geräte und Systeme haben jedoch viele unterschiedliche Grenzen- und Installationsbedingungen. Daher ist die Wahl des optimalen Wärmemanagements oft schwierig. Es gibt sicherlich Möglichkeiten, das richtige Wärmeabfuhrkonzept durch den Einsatz des Wärmewiderstands für Berechnungen oder durch Testen und Verifizieren von Prototypen direkt in der Anwendung zu finden, aber heute werden kundenspezifische mechanische Einstellungen gefragt und gefordert mehr denn je. Kleine mechanische Nachbearbeitungen wie zusätzliche integrierte Gewinde oder Bohrungen können bei der Berechnung mit Sicherheitsreserven in der Temperatur des Wärmewiderstands berücksichtigt werden, aber umfangreiche Modifikationen erfordern eine wiederholte Überprüfung der Wärmeumstände.

Berücksichtigte Faktoren bei der thermischen Simulation

Mit der KINGKA thermischen Simulation können die notwendigen Eigenschaften des Kühlkonzepts genau ermittelt werden. Basierend auf physikalischen Konzepten wie Masse, Energie und Impuls berücksichtigt die Software speziell die thermischen Anforderungen der natürlichen oder gezwungenen Konvektion. Gleichzeitig entführt das System Wärme über die Flüssigkeit. Darüber hinaus berechnet die thermische Simulation physikalische Effekte wie thermische Strahlung und Turbulenz. Auch die Strahlungsfaktoren verschiedener Oberflächen spielen eine Rolle.

KINGKA berät Sie gerne ausführlich über das Thema thermische Simulation. Unsere Experten stehen Ihnen für alle technischen Beratungen zur Verfügung.

2.2 Rolle in der Halbleiterindustrie

Wärmesinke spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Verbindungstemperaturen innerhalb sicherer Grenzen, der Verhinderung von thermischem Ablauf und der Gewährleistung eines stabilen Betriebs. Sie sind entscheidend für den Schutz von CPUs, GPUs, Leistungshalbleitern (IGBTs, MOSFETs) und anderen wärmeempfindlichen Komponenten in integrierten Schaltungen und elektronischen Baugruppen.

2.3 Schlüsselbereiche der Anwendung

· High-Performance Computing (HPC): Wichtig für die Kühlung von Prozessoren in Supercomputern und Rechenzentren.

Automobilelektronik: Gewährleistet die Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugwechselrichtern, ADAS-Systemen und Infotainment-Einheiten.

· Telekommunikation: Erhält die Leistung von Basisstationen und Routern unter hoher Last.

3. Schlussfolgerung

Wärmesinke sind grundlegend für die Fähigkeit der Halbleiterindustrie, den unermüdlichen Anstieg der Wärmeerzeugung zu bewältigen. Ihre Design- und Fertigungstechnologien entwickeln sich weiter, um den Anforderungen neuer Anwendungen gerecht zu werden und gleichzeitig den Weg für intelligentere und nachhaltigere Kühllösungen zu ebnen. Da die Branche die Grenzen der Leistung und Integration verschiebt, wird die Rolle eines effektiven Wärmemanagements nur an Bedeutung zunehmen.