Ein weiterer wichtiger Faktor ist die hohe Signalfrequenz vieler Geräte, die in Kombination mit den durch sie fließenden Strömen die Verlustleistung erhöht. Darüber hinaus führt die stärkere Integration von Halbleiterbauelementen zu einer höheren Wärmedichte pro Flächeneinheit, und die Abfuhr dieser Wärme ist für die Lebensdauer des Geräts unerlässlich.
Der entscheidende Faktor für die Ableitung der vom Halbleiter erzeugten Wärme aus dem Bauelement ist die Minimierung des Wärmewiderstands zwischen dem pn-Übergang und der umgebenden Luft. Ähnlich einem Stromkreis existiert ein Netzwerk von Wärmewiderständen in Reihe zwischen dem pn-Übergang und der Luft. Wie im folgenden Diagramm dargestellt, besteht der Stromkreis, der die Temperatur vom Inneren des Bauelements (Tj) nach außen (Ta) transportiert, aus:
- Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterübergang Tj und dem Gehäuse Tc (RthG), angegeben in K/W (Kelvin/Watt). Dieser Widerstand wird vom Halbleiterhersteller bestimmt und ist charakteristisch für den Herstellungsprozess. Er lässt sich nur durch die Wahl eines anderen Halbleiterbauelements reduzieren.
- Wärmewiderstand zwischen dem Halbleitergehäuse Tc und dem Kühlkörper Ts (RthG/K), angegeben in K/W. Dieser kann durch Wärmeleitpasten, -verbindungen und andere Wärmeleitmittel minimiert werden, die wir später besprechen werden.
- Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörper Ts und der Umgebungsluft Ta (RthK), angegeben in K/W. Dieser Wert wird im Datenblatt des Herstellers zur Auswahl des geeigneten Kühlkörpers verwendet. Es ist wichtig, einen Kühlkörper mit einem RthK-Wert zu wählen, der niedriger ist als der durch Auslegungsberechnungen ermittelte Wert. Der RthK-Wert ist umgekehrt proportional zum Produkt aus dem konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten (hc) (der Wärmeleistung des Kühlkörpers) und seiner Querschnittsfläche (A). 
Der Wärmewiderstand hc unterscheidet sich wiederum bei natürlicher Konvektion von erzwungener Konvektion (unterstützt durch Ventilatoren oder Gebläse). Dieser Artikel betrachtet ausschließlich Berechnungen für natürliche Konvektion.
Der gesamte Wärmewiderstand, den die Wärme bei ihrer Abfuhr erfährt, beträgt somit:
RthTot = RthG + RthG/K + RthK
(RthTot) lässt sich durch Verringerung der Summe seiner Komponenten reduzieren.
Die Bedeutung von Wärmeableitungselementen liegt darin, dass Luft ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Durch den Einsatz von Wärmeableitungselementen kann der Wärmewiderstand drastisch gesenkt und somit die Wärmeabfuhr erhöht werden.
Die Auslegungsmethodik
basiert auf Folgendem:
1) Ermitteln Sie die Umgebungstemperatur Ta (K) und die Sperrschichttemperatur Tj (K) des Halbleiters (aus dem Datenblatt des Herstellers). Ziehen Sie 25 K als Sicherheitszuschlag von Tj ab, da Tj niemals überschritten werden darf.
2) Ermitteln Sie den Widerstand RthG aus dem Datenblatt des Halbleiterherstellers.
3) Ermitteln Sie die Verlustleistung (W) des Halbleiters (Ptot). Für Transistoren gilt: Ptot = Vce · Ic + Vbe · Ib, für Dioden: Ptot = If · Vf.
4) Berücksichtigen Sie die Designkriterien, wie z. B. den verfügbaren Platz auf dem Gehäuse/der Leiterplatte, die Montagemöglichkeiten usw.
Die folgende Formel beschreibt in einem Halbleiter, der mit einem Kühlkörper gekoppelt ist, den Zusammenhang zwischen der von einem Bauelement abgegebenen Leistung und der Temperaturdifferenz zwischen dem Übergang Tj und der Umgebung Ta.
Wie bereits erwähnt, erhöht eine Verringerung der Summe der Wärmewiderstände die Gesamtleistung, die das Gerät bei einer gegebenen Temperaturerhöhung abgeben kann.
Durch Umschreiben dieser Funktion kann man den maximalen Wärmewiderstand bestimmen, den ein Kühlkörper plus die Substanz oder Flüssigkeit, die mit der Halbleiterverkapselung in Kontakt steht, haben kann.
Somit verbleiben zwei Unbekannte, deren Summe die rechte Seite der Gleichung nicht überschreiten darf.
Luft, als Grenzfläche zwischen Verkapselung und Kühlkörper, weist aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit einen sehr hohen Wärmewiderstand RthG/K auf; eine als Wärmeleitpaste fungierende Verbindung kann diesen Wärmewiderstand jedoch um mehrere Größenordnungen reduzieren und somit die Wärmeübertragung optimieren.
Schlegel Electronic Materials bietet verschiedene Modelle der OpTIM Thermal Management Solutions-Serie mit sehr niedrigem RthG/K-Wert und vielfältigen Konfigurationsmöglichkeiten an.
Weitere Informationen zu den verschiedenen Verbindungen und ihren Wärmeleitfähigkeiten finden Sie auf der Schlegel-Website.
http://www.schlegelemi.com/thermal
Sie können außerdem auf verschiedene PDF-Kataloge zugreifen, die auf der Website www.rcmicro.es verfügbar sind
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_TIM_shortform.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_Thermal Materials.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_OP-400.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_OpTIM_2012.pdf
Das folgende Beispiel zeigt die Auswahl eines Kühlkörpers für den Transistor 2N3055 im TO-3-Gehäuse basierend auf den oben genannten Daten:
Annahme:
Tj = 200 °C minus 25 °C Sicherheitsmarge = 175 °C
Ta = 45 °C
RthG = 1,5 K/W
RthG/K = 0,2 K/W (aufgrund der Wahl der Wärmeleitpaste).
Ptot = 30 W
Maximale Länge des Kühlkörpers = 50 mm.
HINWEIS: Es ist wichtig zu beachten, dass Kelvin und Celsius bei der Angabe von Temperaturerhöhungen äquivalent sind, da 1 K = 1 °C
Um den passenden Kühlkörper auszuwählen, können Sie den ASSMANN-Katalog konsultieren, der eine große Auswahl an Kühlkörpern bietet. Achten Sie auf Modelle mit einem Wärmewiderstand von maximal 2,6 K/W, da dies eine Jähtemperatur (Tj) unter 175 °C gewährleistet. Beachten Sie außerdem die maximale Länge von 50 mm, die durch die anwendungsspezifischen Spezifikationen vorgegeben ist. Eine mögliche Option ist das Profil Assmann V 4493 F.
Über die folgenden Links gelangen Sie zu den verschiedenen Produktfamilien von Assmann-Heizkörpern und Zubehör:
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_1.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_3.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_4.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Perfiles.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Pastas_y_Accesorios_Montaje_Radiadores.pdf
