Befestigung der Leistungstransistoren am Kühlkörper

[harry_m]

beschäftigt mich gerade.

Hintergrund: auf der HighEnd sah ich eine Endstufe von Usher, bei der die Leistungstransistoren auf einer Kupferschiene verschraubt wurden, welche dann auf den Kühlkörper aufgeschraubt wurde. Damals grinste ich, weil der erste Gedanke war "Zusätzlicher (Wärme)widerstand zwischen dem Transistor und dem Kühlkörper eingebaut"...

Später kam mir in den Sinn, dass Kupfer mit seiner wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit eigentlich für die schnellere Abfuhr der Wärme auf eine grössere Auflagefläche am Kühlkörper sorgen könnte.

Hat es jemand selbst ausprobiert oder gerechnet?

Gruss
Harry

[HCW]

Die Idee ist nett. Jedoch:
Problem 1: Der Wärmeübergang zwischen Transistoren und Blech (welches auch immer) ist der Engpass. Luft sowieso und auch Wärmeleitpaste haben Größenordnungen höheres alpha als CU und AL.
ad2: Al und Cu sind alphamäßig nicht soo weit auseinander
ad3: Viele moderne Leistungstransitoren sind von Haus aus Kunststoffisoliert....
ad4: selbst in teuersten Messgeräten finde ich interne Temperaturvergleichsstellen auf Alu- nicht Kupferblöcken.
Ich weiß nicht. Gerechnet hab ich sowas zuletzt vor 4 Jahren, im Moment mach ich Versuche bei 1000°C, da kommen weder CU noch Al vor. :-)

Gruß, Christian

[raphael]

Der Sinn solcher Konstruktionen ist meistens eher, die Transistoren auf gleicher Temperatur zu halten, damit sich die Temperaturdrift gleichmäßig auswirkt und die Abstimmung des Verstärkers nicht flöten geht. Dies gilt insbesondere für Verstärker, bei denen "matched devices" gefordert sind.
Bei Deiner TDA7293-Konstruktion wird das eher unerheblich sein. Da reichts, wenn Du Isolierscheiben und Wärmeleitpaste verwendest.

Raphael

[Nuggets]

Glaubst du nicht, dass man mit der Temperatursenke generell die intrinsische Leitfähigkeit der Transistoren zügeln will?

Wenn die Temperatur wegen des Matchens gleich gehalten werden soll, dann kam das Kupfer wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz. Damit erreicht man eine schnelle Wärmkonvektion der Transistoren untereinander. Damit das aber richtig funkioniert, muss die Geometrie der Kupferschiene und des eigentlichen Kühlkörpers sauber ausgeklügelt sein, was ich für den Fall intuitiv ausschließe.
Ich denke, dass bei ca. 10 Transistoren (alle aufgereiht an der Schiene) pro Pfad die Konvektion nicht mehr so funktioniert, dass alle Transen gleiche Tempertur haben, weil der Alublock zu viel Leistung auf der Strecke abführt.

[dunkelbunt]

Hallo Harry,
du hast mit deinen Überlegungen recht. Man nennt diese Konstrukte Heatspreader. Damit soll Wärme schnell abgeleitet werden.
Speziell bei der Prozessorkühlung wird dieser Kniff meist angewandt.
Noch besser als als Kupfer wirken Diamant oder Kohlenstoffnanoröhren. Die bekommt man allerdings auch bei ebay nicht zu günstigen Preisen. Aber was ein echter Highender sein will ....


Früße
Fred

[SvenT]

sogenannte "heatspreader" haben auf prozessoren nur den voteil, dass der feld, wald und wiesen DAU nicht beim einbau den prozessor kaputt macht,

tatsächlich haben prozessoren (so als durchschnittswert) eine um ca. 5 grad geringere temperatur, wenn man den heatspreader entfernt.

warum sollten denn die transistoren die 100%ig gleiche temperatur haben???
feldeffekt-transistoren stört das doch nicht weiter, wenn mal die temperatur nicht auf's zehntel grad gleich ist, oder???
oder es sind bipolare transistoren
aber schaltet man heutzutage wirklich noch bipolare transistoren parallel???
(ein prof. hat mal erzählt, was die für einen aufwand getrieben haben, um damals in seiner industrie-zeit die ströme durch parallel-geschaltete bipolar-transistoren konstant zu halten......)

[dunkelbunt]

Du meinst das Plättchen, welches auf die Die aufgelegt und möglichst mit 1g Wärmleitpaste verklebt wird .
Ich schreibe von der Kupferscheibe,-schiene welche in Kühlkörper eingelassen oder darauf befestigt werden. Die werden entweder gepresst oder plan poliert und dann miteinader verbunden. Da ist keine WLP dazwischen.

Grüße
Fred

[SvenT]

solche kupferplatten in kühlkörpern bringen eigentlich nur was zur kühlung von mikroprozessoren

diese prozessoren haben ja auf ihrem einen quadratzentimeter, den die teile heute noch haben viele millionen transistoren, alle mit unterschiedlicher belastung
zur vermeidung lokaler "hotspots" muss eben möglichst kupfer oder diamant, oder kohlenstoff-nano-röhrchen oder sowas drauf, um die wärme erst mal auf eine möglichst große fläche zu verteilen

aber ich glaube, solche maßnahmen sind bei den transistoren, wie man sie in diskret aufgebauten verstärkern findet, nicht nötig

[tiki]

Hallo Harry,

dieses Vorgehen bringt insbesondere dann was, wenn erst die Wärmequelle unisoliert und mit(!) einem ausgleichenden Material (weil die Oberflächen der allermeisten Halbleitergehäuse alles andere als plan sind) auf die Al-/Cu-Senke kommt, welche einen signifikant größeren Querschnitt, auf den Wärmestrom bezogen, haben sollte und diese dann isoliert auf den eigentlichen gemeinsamen Kühlkörper. So kann man den Rth erheblich senken. Es ist natürlich bei Anwendungen, in denen es auf minimale Kapazität zwischen Halbleiter und Kühlkörper ankommt, gerade nicht günstig.
Im Extremfall kann man die Halbleiter ungehäust, also blank, auf das Cu bonden. Tw. so realisiert in Leistungsmodulen für die Antriebs-/Stromrichtertechnik.

Gruß, Timo

[raphael]

Original geschrieben von Diablo
d geringere temperatur, wenn man den heatspreader entfernt.

warum sollten denn die transistoren die 100%ig gleiche temperatur haben???
feldeffekt-transistoren stört das doch nicht weiter, wenn mal die temperatur nicht auf's zehntel grad gleich ist, oder???
oder es sind bipolare transistoren
aber schaltet man heutzutage wirklich noch bipolare transistoren parallel???

In der HiFi-Welt ist manches anders..
Es gibt Schaltungen, di in der tat recht empfindlich auf Temperaturdrift reagieren. Ein prominentes Beispiel (wiedermal): Die Endstufen von Nelson Pass. jetzt könnte man natürlich streiten, wie zeitgemäß solche Designs sind...

Raphael

[lenz]

Re: Befestigung der Leistungstransistoren am Kühlkörper

Original geschrieben von harry_m

auf der HighEnd sah ich eine Endstufe von Usher, bei der die Leistungstransistoren auf einer Kupferschiene verschraubt wurden, welche dann auf den Kühlkörper aufgeschraubt wurde. Damals grinste ich, weil der erste Gedanke war "Zusätzlicher (Wärme)widerstand zwischen dem Transistor und dem Kühlkörper eingebaut"...

Später kam mir in den Sinn, dass Kupfer mit seiner wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit eigentlich für die schnellere Abfuhr der Wärme auf eine grössere Auflagefläche am Kühlkörper sorgen könnte.

Hallo Harry

Deine späteren Gedanken gingen zwangsläufig in die falsche Richtung.
Diese Suggestion war von Usher nicht vorgesehen.
Der erste Eindruck sollte beeindrucken - Kupfer - boah eyh!!!
Wertvoll !!
Sofort kaufen!

[SvenT]

oder einfach der späte gedanke des konstrukteurs: "sch**?e die transen sind ja nen zentimeter vom kühlblech weg!!! schnell mal in den keller schauen, ob da noch was rumliegt, was man schnell dazwischenklemmen kann, bevor cheffe was merkt"

[harry_m]

@Diablo:

Du bist an meinen Gedankengang am nähesten herangekommen. Meine Verstärkermodule sind fast fertig, und ich musste feststellen, dass es alles Andere, als einfach ist, in die komische Alu-Legierung des Kühlkörpers die nötige 24 M3 Gewindebohrungen präzise zu schneiden:

[tiki]

Hallo,
sauber ankörnen, Ständerbohrmaschine, schön schmieren mit reichlich Spiritus oder eben Bohröl, beim Handschneiden nach jeder halben Umdrehung Span brechen - so sollte es einfacher(?) machbar sein. Das Kühlkörperalu ist normalerweise recht weich, nur die dünne Eloxalschicht hart.
Der Aufbau ist bisher eine Augenweide! Schön!
Gruß, Timo

[raphael]

Ich hatte bei meinen vier Kühlkörpern auch kein Problem, ein Gewinde hineinzuschneiden, per Hand. Wie tiki schon sagte, immer schön der span brechen, dann gehts einfach von der Hand.

Raphael