Bereit für die Zukunft: Zuverlässigkeit und Schutz auf dem Feld der Leistungselektronik

Das Bedürfnis, den Klimawandel abzubremsen, ist sehr stark. Die globale Anerkennung seiner Folgen führt zu vielen Vorgaben, die eingeführt werden, um eine drastische Änderung unseres Stromverbrauchverhaltens sicherzustellen. Die EU hat das 2020-Paket mit Senkungen gegenüber dem Stand von 1990 zusammengestellt. Dieses Paket enthält eine Reduktion der Treibhausgasemissionen um 20 %, 20 % Energie aus erneuerbaren Energien und eine Leistungsverbesserung um 20 % bis 2020(1). Einige Länder haben sich auch eigene Ziele gesteckt; beispielweise versucht Großbritannien, bis 2050 seine Treibhausgasemissionen um 80 % zu senken(2). Dementsprechend wird die Dominanz der aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Energie in einigen Gegenden nicht mehr als angemessen angesehen. In einem technischen Zeitalter, in welchem Energie eine so wichtige Rolle in unserem täglichen Leben einnimmt, ist es äußerst wichtig, dass wir uns branchenübergreifend auf die Erhöhung der Energieeffizienz konzentrieren. Und vor diesem Hintergrund sollten wir eben auch über die Leistungselektronik sprechen.

Leistungselektronik bietet eine effiziente Umwandlung elektrischer Energie, meistens verbunden mit einer Wandlung der Spannung oder Stromstärke bzw. -frequenz. Hierbei handelt es sich um sehr niedrige bis sehr hohe Stromstärken, z. B. mW bis GW, und deshalb sind die Anwendungsmöglichkeiten auch sehr vielfältig. Ganz klar gibt es einige Bereiche, in denen der Grad der Energieeffizienz das ausschlaggebende Kriterium ist. Dazu gehören die Branche der Elektromobilität und die LED-Industrie. Drahtloses Aufladen von Mobiltelefonen, Anbindung von erneuerbaren Energiequellen, Stromverteilung und Sensortechnologie sind einige weitere Schlüsselbereiche. Wie können wir also unsere Energieeffizienz im ganzen Spektrum dieser Bereiche verbessern? Das Design dieser elektronischen Baugruppen ist deutlich der wichtigste Faktor, aber damit sie funktionieren und die größtmögliche Effizienz unter den verschiedensten Bedingungen erreichen können, kann die Verwendung von thermischen Managementmaterialien und schützenden Produkten ein wichtiger Schritt in Richtung der Erfüllung dieser Ziele sein, um die Effizienz und die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik vollständig zu maximieren.

Solche Werkstoffe können in zwei Hauptbereichen eingesetzt werden: auf Bauteil- und Geräteebene. Auf Bauteilebene handelt es sich dann normalerweise um thermisches Management. Komponenten wie z. B. Widerstände erzeugen Wärme, wenn sie ein Strom durchfließt. Wenn jedoch diese Wärme nicht ordnungsgemäß abgeleitet wird, erhöht sich die Betriebstemperatur des Bauteils bis zu einem Punkt, an dem es letztendlich versagen könnte. Ein thermisches Interface-Material (TIM) kann verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu einem Kühlkörper/Gehäuse hin zu verbessern. Letztlich wird bei diesem Vorgang die Wärme z.B. über Konvektion und auch Abstrahlung in die Umgebung abgegeben. Die Verwendung von TIMs verbessert die Effizienz des Wärmetransfers und schließlich wird durch Senkung der Betriebstemperatur eines bestimmten Bauteils oder der Leiterplatte als Ganzes die Effizienz des Geräts ebenfalls verbessert und damit der Energieverbrauch gesenkt. TIMs sind ein guter Kompromiss für eine verbesserte Leistung ohne die negativen Auswirkungen einer größeren Leiterplatte bzw. eines höheren Gewichts. Es bietet Designern von Leiterplatten zusätzliche thermische Management-Optionen für unter anderem auch thermisch wirkende Bodenplatten oder zur Entwärmung über verstärkt ausgeführte Leiterbahnen und Anschlüsse.
Die Art des verwendeten Wärmeleitmaterials kann auch Auswirkungen auf die Effizienz des Wärmetransfers haben. Mit diesen Produkten und vor allem bei TIMs hat die Dicke des aufgebrachten Produkts Auswirkungen auf den Wärmewiderstand über den thermischen Pfad der Schnittstelle. Wärmeleitmaterialien sind zum Auftragen als dünne, gleichmäßige Schicht gedacht. Wie bei jedem wärmeleitfähigen Material ist es sehr wichtig, sicherzustellen, dass die Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Wärmeableiter vollständig gefüllt ist und alle Lufteinschlüsse vefüllt werden. Eine thermische Schnittstelle ohne jegliche Lufteinschlüsse führt zu einem niedrigen Wärmewiderstand und einer geringeren Betriebstemperatur des Geräts. Die Wärmeleitpaste selbst weist eine weit geringere Wärmeleitfähigkeit als die sie kontaktierenden – oft metallischen – Materialien auf. Wenn die Schicht an der Übergangsstelle also so dünn wie möglich aufgetragen wird, werden folglich der Wärmewiderstand und damit auch die sich einstellende Betriebstemperatur gesenkt.
Bei Wärmeleitmaterialen kann es sich um Wärmeleitpasten/-fette, vernetzende Produkte wie z. B. RTVs, chemisch vernetzende Gießharze oder stabiele Gap-Pads handeln. Sogenannte Phase Change Materialien sind ein neueres Beispiel für die TIM-Technologie. Sie wurden entwickelt, um den sehr niedrigen thermischen Widerstand, der durch die Anwendung einer Wärmeleitpaste erzielt wird, mit der Stabilität eines ausgehärteten oder festen Materials, wie einem RTV oder Gap-Pad zu kombinieren. Während der Verwendung ändern sich die Eigenschaften von einem festen in einen flüssigen Zustand und wieder zurück, abhängig von der Temperatur der Anwendung. Jedes Phase Change Material hat dabei seine eigene Aktivierungstemperatur, bei welcher der Phasenwechsel auftritt. Sobald diese Temperatur erreicht wird, kann sich das Produkt durch die Fähigkeit des Phase Change Materials, weicher zu werden, vollständig an die Konturen des Substrats anpassen, indem es die Schnittstelle mit einer minimalen Klebschichtdicke füllt. Dieses Setzen führt dann wieder zu einem sehr niedrigen Wärmewiderstand und maximiert die Effizienz der Wärmeleitfähigkeit.
Einige Beispiele dafür, wo Electrolube-Produkte für Leistungselektronikanwendungen eingesetzt wurden, umfassen TIMs für IGBTs in Stromverteilungsprodukten, Gap-Filler und Dünnschicht-Anwendungen für den Wärmetransfer von Bauteilen zum äußeren Metallgehäuse bei verschiedenen Geräten im Auto, wie z. B. Batterieladegeräte, und die Verwendung von TIMs für die Wärmeableitung in Treibern für LED-Reklametafeln. All diese Anwendungen haben ihre eigenen Herausforderungen. IGBTs haben eine große Oberfläche und sind thermischer Wechselbeanspruchung ausgesetzt, die eine Pump-Out-/Scherwirkung über die Änderungen und Variationen des Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugen. „Pump-out“ kann eine große Herausforderung darstellen, aber durch den Einsatz eines Wärmeleitmaterials, dass dieser pumpenden Beanspruchung widersteht, kann man die Auswirkungen abmildern und somit sicherstellen, dass die effektive Wärmeableitung sich nur minimal verschlechtert. Gerade im Automobilbereich werden Gap-Filler in verschiedensten Anwendungen unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungenen, wie auch Vibrationsszenarien eingesetzt. In praktisch keiner dieser Anwendungen sind die Umgebungsbedingungen immer stabil und gleichbleibend, was uns zum nächsten Punkt in dieser Diskussion bringt, nämlich den Schutz von Leistungselektronik zur Verbesserung ihrer Zuverlässigkeit.

Eine fertige Baugruppe oder Leiterplatte funktioniert unter standardmäßigen Umgebungsbedingungen, aber externe Faktoren wie z. B. Kondensation, korrosive Gase, Salzsprühnebel, Kontaminationen aus der Luft und Temperaturveränderungen haben Auswirkungen auf die Betriebsdauer des Geräts. Produkte, wie z. B. Schutzlacke und Gießharze werden verwendet, um Leiterplatten vor diesen externen Einflüssen zu schützen und erhöhen damit sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Betriebsdauer. In der Leistungselektronik steigen die Leistungserwartungen immer weiter an, was die Effizienz betrifft: jedes Detail ist wichtig, einschließlich dem Schutz von elektronischen Kontakten und Verbindungen mit Kontaktschmiermitteln, um eine stabile elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.

Als ein paar Beispiele, wo Electrolube-Produkte in Leistungselektronik zur Verbesserung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Geräten eingesetzt werden, sind Schutzlacke für Stromsteuergeräte in digitalen Schaltanlagen und Gießharze zum Vergießen von Solarwechselrichtern zu nennen. Beide Anwendungen haben ganz individuelle Herausforderungen: der Solarwechselrichter benötigt ebenso eine Wärmeableitung über das Gießharz, damit die Betriebstemperatur der Bauteile innerhalb der gewünschten Bereiche bleibt. Der Schutzlack für Stromsteuergeräte muss Schutz gegen Feuchtigkeit und korrosive Gase bieten, aber auch schnell und leicht auf komplizierte Leiterplattendesigns aufzutragen sein, wo Anschlüsse nicht abgedeckt werden dürfen. Ein tiefgreifendes Verständnis der Umgebungsbedingungen ist deshalb außerordentlich wichtig für die erfolgreiche Auswahl eines Schutzmaterials.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Leistungselektronik ganz eindeutig ein schnell wachsender und sehr wichtiger Markt ist. Wenn wir unsere Ziele für eine energieeffiziente Zukunft erfüllen wollen, müssen wir uns auf die kleinen Details konzentrieren. Einige scheinen anfänglich vielleicht unwichtig, aber letztendlich ermöglichen sie, dass die Leistungselektronik in vielen verschiedenen Anwendungen funktioniert, in welchen sie verwendet werden könnte. Das grundsätzliche Verständnis der Anwendungsbedingungen, welche die Verwendung von thermischen Management- und vor Umwelteinflüssen schützenden Produkten ermöglicht, erhöht die Effizienz und Zuverlässigkeit von Geräten mit Leistungselektronik. Und letztendlich führt eine gemeinsame Arbeit im gesamten Designprozess dazu, dass wir die bedeutenden und großen Fortschritte, die bereits in dieser Industrie erzielt wurden, weiter vorantreiben können.

Jade Bridges
Global Technical Support Manager – Electrolube
Referenzen:
(1) https://ec.europa.eu/clima/policies/strategies/2020_de
(2) https://www.theccc.org.uk/tackling-climate-change/the-legal-landscape/the-climate-change-act/