Wie misst man die Wärmeleitfähigkeit des Führungsmaterials in einem IGBT-Kühlkörper?
Dec 31, 2025
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Als Lieferant von IGBT-Kühlkörper-Routing-Materialien ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie die Wärmeleitfähigkeit unserer Routing-Materialien gemessen wird. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine grundlegende Eigenschaft, die bestimmt, wie effektiv ein Material Wärme übertragen kann. Im Zusammenhang mit IGBT-Kühlkörpern ist eine effiziente Wärmeübertragung für die Aufrechterhaltung der optimalen Leistung und Langlebigkeit der IGBT-Module von entscheidender Bedeutung. In diesem Blogbeitrag werde ich verschiedene Methoden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Führungsmaterialien in IGBT-Kühlkörpern untersuchen.
Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit in IGBT-Kühlkörpern
IGBT-Module (Insulated Gate Bipolar Transistor) werden häufig in elektronischen Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energiesystemen und industriellen Motorantrieben eingesetzt. Im Betrieb erzeugen diese Module eine erhebliche Menge Wärme. Wenn diese Wärme nicht ordnungsgemäß abgeführt wird, steigt die Temperatur des IGBT-Moduls, was zu einer verringerten Effizienz, einer verringerten Zuverlässigkeit und sogar einem Geräteausfall führen kann.
Das Führungsmaterial in einem IGBT-Kühlkörper spielt eine Schlüsselrolle bei der Wärmeübertragung. Ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann die vom IGBT-Modul erzeugte Wärme schnell an die Kühlrippen übertragen, wo sie an die Umgebung abgegeben werden kann. Daher ist die genaue Messung der Wärmeleitfähigkeit des Führungsmaterials von entscheidender Bedeutung für die Auswahl des richtigen Materials und die Optimierung des Designs des Kühlkörpers.
Methoden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
1. Steady-State-Methoden
A. Methode mit geschützter Heizplatte
Die Guarded-Hot-Plate-Methode ist eine der am weitesten verbreiteten stationären Methoden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit. Bei dieser Methode wird eine Probe des Fräsmaterials zwischen zwei flache Platten gelegt: eine Heizplatte und eine Kühlplatte. Die Heizplatte versorgt die Probe mit einem konstanten Wärmefluss, die Kühlplatte nimmt die Wärme auf. Mit einem Thermoelement wird der Temperaturunterschied zwischen den beiden Platten gemessen.
Die Wärmeleitfähigkeit (k) kann nach folgender Formel berechnet werden:
[k=\frac{Q\cdot L}{A\cdot\Delta T}]
Dabei ist (Q) der Wärmefluss, (L) die Dicke der Probe, (A) die Querschnittsfläche der Probe und (\Updelta T) die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Platte.
Der Vorteil der Guarded-Hot-Plate-Methode ist ihre hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Es kann die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Arten von Materialien messen, darunter Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Es handelt sich jedoch um eine relativ langsame Methode, da es lange dauert, bis ein stabiler Zustand erreicht ist.
B. Methode des Wärmeflussmessers
Die Wärmeflussmessermethode ist eine weitere stationäre Methode. Es ähnelt der Methode mit geschützter Heizplatte, misst jedoch nicht den Wärmefluss direkt, sondern misst mithilfe eines Wärmeflussmessers die Wärmeübertragungsrate durch die Probe.
Der Wärmestrommesser besteht aus einer Thermosäule, die eine Spannung proportional zum Wärmestrom erzeugt. Durch Messung der Spannung und der Temperaturdifferenz über der Probe kann die Wärmeleitfähigkeit berechnet werden.
Die Methode des Wärmeflussmessers ist schneller als die Methode der geschützten Heizplatte und eignet sich zur Messung der Wärmeleitfähigkeit dünner Materialien. Es kann jedoch zu gewissen Genauigkeitseinschränkungen kommen, insbesondere bei Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit.
2. Transiente Methoden
A. Transient Plane Source (TPS)-Methode
Die Transient Plane Source-Methode ist eine beliebte transiente Methode zur Messung der Wärmeleitfähigkeit. Bei dieser Methode wird ein dünnes, kreisförmiges Heizelement zwischen zwei Proben des Fräsmaterials platziert. Mit dem Heizelement wird ein kurzzeitiger Wärmeimpuls erzeugt und die Temperaturreaktion der Proben als Funktion der Zeit gemessen.
Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Analyse der Temperatur-Zeit-Kurve mithilfe eines mathematischen Modells bestimmt werden. Die TPS-Methode bietet mehrere Vorteile, darunter eine schnelle Messzeit, die Möglichkeit zur Messung anisotroper Materialien und einen breiten Bereich anwendbarer Wärmeleitfähigkeitswerte.
B. Laser-Flash-Methode
Die Laserblitzmethode wird üblicherweise zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien verwendet, die dann zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit verwendet werden kann. Bei dieser Methode wird ein kurzer Laserpuls auf eine Seite der Probe appliziert und der Temperaturanstieg auf der anderen Seite mit einem Infrarotdetektor gemessen.
Die Temperaturleitfähigkeit ((\alpha)) wird aus der Zeit berechnet, die die Temperatur benötigt, um einen bestimmten Bruchteil ihres Maximalwerts zu erreichen. Die Wärmeleitfähigkeit (k) kann dann mit der folgenden Formel berechnet werden:
[k=\rho\cdot C_p\cdot\alpha]
Dabei ist (\rho) die Dichte des Materials und (C_p) die spezifische Wärmekapazität.
Die Laserblitzmethode eignet sich für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und kann in relativ kurzer Zeit genaue Ergebnisse liefern. Es erfordert jedoch eine genaue Kontrolle der Versuchsbedingungen und ist möglicherweise nicht für Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit geeignet.
Faktoren, die die Messung der Wärmeleitfähigkeit beeinflussen
1. Temperatur
Die Wärmeleitfähigkeit ist temperaturabhängig. Im Allgemeinen nimmt die Wärmeleitfähigkeit der meisten Materialien mit steigender Temperatur ab. Daher ist es wichtig, die Wärmeleitfähigkeit bei der Betriebstemperatur des IGBT-Kühlkörpers zu messen, um genaue Ergebnisse zu gewährleisten.
2. Probenvorbereitung
Die Qualität der Probenvorbereitung kann die Messung der Wärmeleitfähigkeit erheblich beeinflussen. Die Probe sollte eine gleichmäßige Dicke, glatte Oberflächen und keine Luftspalte oder Verunreinigungen aufweisen. Jegliche Uneinheitlichkeit oder Mängel in der Probe können zu Fehlern bei der Messung führen.
3. Kontaktwiderstand
Auch der Kontaktwiderstand zwischen Probe und Messgerät kann die Genauigkeit der Wärmeleitfähigkeitsmessung beeinträchtigen. Um den Kontaktwiderstand zu minimieren, können geeignete thermische Schnittstellenmaterialien zwischen der Probe und den Platten oder Sensoren verwendet werden.
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Abschluss
Die genaue Messung der Wärmeleitfähigkeit des Führungsmaterials in einem IGBT-Kühlkörper ist für den effizienten Betrieb von IGBT-Modulen von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Zweck können sowohl stationäre als auch transiente Methoden verwendet werden, jede mit ihren eigenen Vorteilen und Einschränkungen. Durch die Berücksichtigung von Faktoren wie Temperatur, Probenvorbereitung und Kontaktwiderstand können wir genauere Messergebnisse erzielen.
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Referenzen
- Zhang, X. & Chen, Y. (2018). Handbuch der Wärmeleitfähigkeit. Sonst.
- ASTM International. (2019). Standardtestmethoden für stationäre Wärmeflussmessungen und Wärmeübertragungseigenschaften mithilfe des Wärmeflussmessgeräts. ASTM C518.
- Maleki, M. & Haghdadi, A. (2015). Transiente Methoden zur Messung thermischer Eigenschaften. In Wärmeleitfähigkeit 42. Springer.