Das eBook Angewandte Mikroelektronik wurde von Hans Lohninger zur Unterstützung verschiedener Lehrveranstaltungen geschrieben. Weitere Informationen finden sie hier.

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Siehe auch: Berechnungsbeispiel, Gebräuchliche Kühlkörperprofile, Gehäuseformen 
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Kühlkörper

Viele elektronische Schaltungen erzeugen soviel Verlustleistung, dass die entstehende Wärme ohne Verwendung von Kühlkörpern nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann. Die Kühlkörper bestehen meist aus Aluminium, Messing, Kupfer oder Stahl oder aus einer Legierung aus Aluminium, Magnesium und Silizium. Sie haben oft bizarre Formen, um die kühlende Oberfläche möglichst groß zu halten. Für besonders große Wärmemengen ist eventuell ein zusätzlicher Lüfter notwendig. Jeder Halbleiterkristall, egal ob Transistor oder hochintegriertes Bauelement, darf nur maximal bis zu einer bestimmten Temperatur des Kristalls betrieben werden (Tj). Diese beträgt je nach verwendetem Material zwischen 90° Celsius für Germanium und 175° Celsius für Silizium. Bei integrierten Bausteinen ist die maximal zulässige Temperatur meist mit 125° Celsius festgelegt. Ist nun die entstehende Verlustleistung so groß, dass die entstehende Wärme nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann, so muss ein Kühlkörper verwendet werden. Die Wirksamkeit eines Kühlkörpers wird durch seinen Wärmewiderstand beschrieben. Dieser gibt die Temperaturerhöhung des Kühlkörpers pro Watt zugeführter Verlustleistung an. Er wird in Kelvin/Watt (K/W) gemessen. Der Zusammenhang zwischen abzuführender Verlustleistung Pv, Sperrschichttemperatur Tj, Temperatur der Umgebung Tu und dem Wärmewiderstand Rth zwischen Kristall und Umgebung ergibt sich zu

Pv = (Tj-Tu)/Rth. (1)

Der Wärmewiderstand Rth setzt sich zusammen aus dem Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Bauteilgehäuse Rg und dem Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper Rk. Außerdem muss bei Verwendung eines Isolierplättchens zwischen Gehäuse und Kühlkörper auch dessen Wärmewiderstand Ri mit berücksichtigt werden. Somit ergibt sich Gleichung (1) zu

Pv = (Tj-Tu)/(Rg+Rk+Ri). (2)

Damit lässt sich die Dimensionierung eines Kühlkörpers vornehmen. Unter der Voraussetzung, dass die Wärmewiderstände Rg und Ri bekannt sind, ergibt sich für Rk

Rk = (Tj-Tu)/Pv - Rg - Ri. (3)

Die Größen Tj und Rg sind im jeweiligen Datenblatt angegeben, Ri beträgt je nach verwendetem Isoliermaterial zwischen 0.1 und 0.3 K/W und Tu und Pv sind bekannt. Die folgende Tabelle gibt die Wärmewiderstände, Dicken und maximal zulässigen Isolierspannungen Umax von Isolierscheiben an.

Material Dicke [mm]
 Rth [K/W] Umax [kV]
Glimmer 0.05 0.3 2
Silikon 0.18 0.3 3.5
Aluminiumoxid 1 0.1 23
Aluminiumoxid 3 0.3 69

Um einen Anhaltspunkt für den Wärmewiderstand einer Kühlfläche zu geben, ist in folgender Abbildung der Wärmewiderstand einer quadratischen, senkrecht montierten Kühlfläche in Abhängigkeit der Seitenlänge des Bleches angegeben. Das Blech befindet sich in ruhender Luft und besteht aus blankem Aluminium. Das Bauteil muss in der Mitte des Bleches montiert sein. Bei horizontaler Montage des Bleches müssen die angegebenen Wärmewiderstände mit 1.3 multipliziert werden, bei schwarzer Farbgebung müssen die Werte mit dem Faktor 0.7 multipliziert werden.

Wärmewiderstand einer quadratischen Alu-Platte

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Last Update: 2011-08-04