Klimawandel auf der Leiterplatte


Titelthema a:lot 14 - Frühling 2015

Weiter zunehmende Leistungsdichten in der Elektronik und neue Technologien, zum Beispiel in Elektrofahrzeugen, zwingen die Branche zur Optimierung des Wärmemanagements. Ein systematisches Vorgehen in der Mess- und Simulationstechnik ist gefragt, um nicht nur ein funktionsfähiges Gerät zu entwickeln, sondern konkurrenzfähig zu sein. Das Vorgehen nur nach Gefühl hat in der Vergangenheit oft Zeit und Kosten gespart. Heute reicht es nicht mehr aus, um den Forderungen nach maximaler Leistungsdichte und Zuverlässigkeit der Elektronik bei minimalen Kosten gerecht zu werden.

Die Lebensdauer elektronischer Systeme hängt entscheidend von ihrer thermischen Belastung ab. Hohe Temperaturen und schnelle Temperaturwechsel belasten die Komponenten, was zu ihrer vorzeitigen Alterung führen kann. Elektronische Bauelemente haben in der Regel eine vom Hersteller angegebene obere Temperaturgrenze. Diese darf nicht überschritten werden. Aber auch für Bauelementetemperaturen unterhalb dieser Grenze gilt: Die Lebensdauer der Bauelemente ist umso höher, je geringer ihre thermische Belastung ist.
Das Wärmemanagement hat deshalb in der Elektronikentwicklung und –fertigung immer mehr an Bedeutung gewonnen und ist zu einer eigenen komplexen Wissenschaft geworden. Zur Optimierung von Hightech-Prozessen reicht das Vorgehen nach Gefühl längst nicht mehr aus. Inzwischen gibt es zahlreiche Angebote für Ingenieure und Fertigungsleiter, um sich auf diesem Gebiet weiterzubilden. Nicht zuletzt stehen auch zahlreiche Experten bereit, um konkrete Herausforderungen optimal zu meistern. An dieser Stelle können wir natürlich keinen kompletten Überblick über die gesamte Thematik geben, aber es gibt einige interessante Trends, die wir Ihnen hier vorstellen.

Numerische Simulationsrechnung

Die numerische Strömungssimulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) hat sich in den letzten Jahren zu einem mächtigen Werkzeug bei der thermischen Analyse entwickelt. Durch die zunehmende Bedienerfreundlichkeit der Software und die rapide wachsende Computerleistung ist die CFD-Rechnung in der industriellen Praxis angekommen. Die Zielgrößen bei der thermischen Analyse elektronischer Systeme sind hauptsächlich die Temperatur- und Druckverhältnisse im System, die Strömungsgeschwindigkeiten des Fluids und die übertragenen Wärmeströme. Das Bild zeigt exemplarisch die thermische Analyse einer elektronischen Steuereinheit mit einem Lüfter. Beispielhaft sind die Geschwindigkeit des Luftstroms und die Temperaturverteilungen eines Leistungshalbleiters auf einer Leiterplatte grafisch dargestellt.
Ausgehend von einem überprüften Basis-Simulationsmodell lassen sich mit wenig Aufwand Varianten berechnen. Optimierungsläufe, wie sie zum Beispiel bei der Dimensionierung von Kühlkörpern eingesetzt werden, laufen vollautomatisch ab. So manche Entwicklungsschleife inklusive Prototypenbau kann durch Simulationsrechnungen ersetzt werden.
Programme, die gleichzeitig Ergebnisse aus anderen Bereichen der Physik liefern, sind in der industriellen Praxis noch nicht Stand der Technik. Dazu gehören zum Beispiel das Spannungs-Dehnungsverhalten der Bauteile, akustische Größen oder elektromagnetische Wechselwirkungen. Diese Programme erfordern von ihrem Anwender ein breites physikalisches Verständnis. Ihre zunehmende Bedienerfreundlichkeit und neue Möglichkeiten des Online-Supports werden diese Tools für die Praxis attraktiver machen. Sie bieten den Vorteil, dass die Anzahl der Berechnungsprogramme im Unternehmen reduziert werden kann. Schnittstellen entfallen und der Wartungsaufwand wird insgesamt kleiner. So manche gedankliche Mauer zwischen der Konstruktionsabteilung und der Elektronikentwicklung, die heute in der einen oder anderen Firma steht, wird damit fallen.

Qualitätssicherung

Für die Qualitätssicherung elektronischer Systeme gibt es viele Untersuchungsmethoden. Viele sind in Normen festgeschrieben. Mit diesen Methoden lassen sich die thermischen, mechanischen und chemischen Einflüsse auf die Elektronik prüfen. Der Temperaturzyklustest ist eine klassische Testmethode. Mehrere Prüflinge werden gleichzeitig definierten Temperaturwechselzyklen ausgesetzt. Nach vorgegebenen Intervallen wird ein Prüfling dem Test entnommen und auf Schäden untersucht. Dies erfolgt meist zerstörend.
Die Kombination des Temperaturzyklustests mit dem thermischen Transientenverfahren nach JESD51-14 ist eine interessante Neuerung. Elektronische Komponenten werden zyklisch thermisch belastet, entweder in der Klimakammer oder durch Anlegen eines periodischen Lastprofils. Nach einer frei wählbaren Zyklenanzahl wird der Wärmepfad des Prüflings mit dem thermischen Transientenverfahren analysiert. Dazu wird die Erwärmungskurve des Systems gemessen und in die sogenannte Strukturfunktion umgerechnet. Die Strukturfunktion bildet den Wärmepfad von der Quelle bis zur Senke ab: Von jedem Material im Wärmepfad ist die Wärmekapazität als Funktion des thermischen Widerstands abzulesen. Das Bild zeigt exemplarisch die idealisierte Strukturfunktion einer LED mit einem Kühlkörper.


Verändert sich ein Material während des Tests, verändert sich die Strukturfunktion an dieser Stelle. Zersetzt sich beispielsweise als Folge der Temperaturzyklen die Pastenschicht, vergrößert sich deren thermischer Widerstand. In der Strukturfunktion ist dies durch die gestrichelte grüne Linie dargestellt. Mit dem Verfahren lässt sich die Aussagekraft des Temperaturzyklustests entscheidend verbessern, da bei laufendem Test kleinste Veränderungen im Aufbau bemerkt, lokalisiert und quantisiert werden können.

Thermische Interfacematerialien

Thermische Interfacematerialien (TIM) dienen zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen zwei aneinandergrenzende Festkörperoberflächen. Gebräuchlich sind Pasten, Kleber, Gele, Folien, Pads und Phase-Change-Materialien. Letztere sind wachsähnlich. Bei Überschreitung ihrer Schmelztemperatur kriechen sie in flüssiger Form in die Mikrostrukturen der Festkörperoberfläche und verdrängen dort die schlecht Wärme leitende Luft. Bei der Auswahl der Interfacematerialien zählen Kriterien wie die geometrischen Gegebenheiten, die Oberflächeneigenschaften mit Toleranzen, die elektrische Durchschlagfestigkeit, der thermische Widerstand und die geforderte Lebensdauer unter realen Einbaubedingungen. Genauso entscheidend ist die Frage, ob das Material mit einer Feder eingebaut ist und damit einem zeitlich konstanten Druck ausgesetzt ist, oder mit einer Verschraubung, die für eine konstante Probendicke sorgt.
Dispensbare Materialien sind im Vergleich zu Pads auf dem Vormarsch. Interfacematerialien auf Polymerbasis sind meist mit feinen Partikeln zum Beispiel aus Aluminiumnitrit gefüllt. Grafitfolien werden standardmäßig zur Wärmespreizung eingesetzt. Materialien aus anderen Kohlenstoffmodifikationen, wie zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhrchen, zeigen ein hohes Potenzial, stehen aber noch nicht für die praktische Anwendung zur Verfügung.

Thermische Interfacematerialien zunehmend im Fokus

In der Vergangenheit fanden thermische Interfacematerialien bei der Auslegung elektronischer Systeme manchmal nur wenig Beachtung. Das mag daran liegen, dass sie im eingebauten Zustand kaum sichtbar sind und ihr Anteil an den Gesamtkosten gering ist. In letzter Zeit ist zu beobachten, wie diese Materialien mehr in den Fokus der Entwickler rücken. Ihre Datenblattwerte werden zunehmend kritisch hinterfragt. Die Gründe dafür sind, dass für die Charakterisierung der Materialien zum Teil verschiedene, nicht definierte Messmethoden eingesetzt werden, Randbedingungen, die das Messergebnis entscheidend beeinflussen, nicht angegeben sind oder in Einzelfällen die angegebenen Werte schlicht unglaubwürdig sind. Fragen nach der Lebensdauer der thermischen Interfacematerialien im realen Einsatz häufen sich.
Bei der thermischen Charakterisierung der Interfacematerialien zeigt sich eine Tendenz zur stationären Zylindermethode, wie sie in der ASTM-Norm D5470-12 beschrieben ist. Die wesentlichen Punkte der Messmethode sind, dass gleichzeitig der mechanische Anpressdruck und die Dicke des Prüflings präzise gemessen werden. Durch konstruktive Maßnahmen ist dafür zu sorgen, dass die Oberflächen der Referenzmaterialien planparallel verlaufen. Das Bild zeigt eine Messapparatur nach ASTM D5470-12 im Wärmelabor des ZFW. Das Gerät wurde zusammen mit der Firma MahleBehr entwickelt und mit dem Löhn-Preis der Steinbeis-Stiftung ausgezeichnet.

Wärmespeicherung

Bei vielen Elektronik-Entwicklungen steht das thermische Design dem elektrischen Design in puncto Aufwand in nichts nach. Das Ziel ist stets, die Wärme mit möglichst kleinem Widerstand vom Ort ihrer Entstehung zur Umgebung zu leiten. Dort verpufft sie nutzlos. Die Speicherung der Wärme im System oder ihre Wiederverwertung spielen heute praktisch keine Rolle. Dabei ist der Gedanke verlockend: Bei transienten Lastfällen kann die Wärme zum Beispiel durch das Aufschmelzen eines Phase-Change-Materials latent zwischengespeichert werden. Wird die Wärmequelle zwischendurch abgeschaltet, wird das Material fest und gibt seine gespeicherte Wärme wieder ab. Ungeliebte Temperaturspitzen in den Bauelementen können so geglättet werden. Eventuell lassen sich damit sogar aktive Maßnahmen, wie zum Beispiel Lüfter, vermeiden. Als Nachteile stehen freilich die zusätzliche Masse, die mitgeführt werden muss, die begrenzte Wärmespeicherfähigkeit und offene Fragen bei der Langzeitstabilität unter realen Einsatzbedingungen gegenüber.
Genauso spannend ist die Frage der Speicherung und Nutzung der Abwärme bei Elektrofahrzeugen. Unter Idealbedingungen liegt die Reichweite von reinen Elektroautos typischerweise in der Größenordnung von 200 Kilometern. Die Kabinenklimatisierung geht zulasten der Reichweite. Für die großflächige Akzeptanz der Elektroautos muss die viel zitierte Reichweitenangst noch überwunden werden. Motor und Batterie produzieren ein paar Kilowatt Abwärme, die es in Zukunft zu nutzen gilt. Dabei sind verschiedene Konzepte der Wärmespeicherung interessant. Thermochemische Speicher, zum Beispiel auf Metallhydrid-Wasserstoffbasis, können in das Wärmemanagement der Elektrofahrzeuge integriert werden. Bis zu ihrem praktischen Einsatz sind noch viele Hürden zu nehmen. Das Potenzial ist vorhanden.

Unser Experte: Prof. Dr. Andreas Griesinger ist Dozent an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg in Stuttgart und Geschäftsführer des daran angegliederten Zentrums für Wärmemanagement (www.zfw-stuttgart.de). Das ZfW beschäftigt sich seit seiner Grünung vor 13 Jahren mit Innovationen rund um das Wärmemanagement in der Elektronik. Als einer der Branchenführer in Deutschland unterstützt es Firmen bei der Entwicklung innovativer Technologien.


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