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R. Enigl:
"Verfahren zur Messung der Wärmeübertragung durch freie Konvektion an elektronischen Bauelementen";
Betreuer/in(nen): G. Hanreich, J. Nicolics; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2000.

Neuentwicklungen auf dem Gebiet elektronischer Bauteile sind gekennzeichnet durch beständige Miniaturisierung, steigende Schaltfrequenzen und höhere Bauteiledichten als Voraussetzung für maximale Leistungsfähigkeit und möglichst geringe Herstellungskosten.
Ein unerwünschter Nebeneffekt ist der dramatische Anstieg der Verlustleistungsdichten. 1990 setzten Mikroprozessoren nicht mehr als 3 W/cm² an Wärmeverlustleistung frei, aktuelle Pentiumprozessoren erzeugen auf einem 2 cm² großen Chip eine Verlustleistung von bis zu 50W. Die schnell fortschreitende Entwicklung bei IGB-Transistoren (= Insulated Gate Bipolar) für Motor-Kontrolleinheiten führt sogar auf Verlustleistungsdichten von über 100 W/cm².
Die hohen Verlustleistungsdichten zeigen, daß effizientes thermisches Management immer wichtiger wird. Im Bereich der Halbleitertechnologie ist die Optimierung der thermischen Eigenschaften von besonderer Bedeutung, da thermische Belastung und thermomechanisch induzierter Streß die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Bauelemente deutlich herabsetzen.
Die Entwicklung und der Nachweis der thermischen Funktionsfähigkeit eines neuen Bauteils basieren auf einer Vielzahl von Experimenten, die mit hohem meßtechnischen, zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden sind, da jede Änderung der thermischen Struktur die Herstellung spezieller Prototypen mit miniaturisierten Temperatursensoren erfordert.
Die Anzahl der Messungen kann jedoch durch die Verwendung von thermischen Simulationsprogrammen entschieden verringert werden. Wesentliche Voraussetzung für die Anwendbarkeit dieser Programme ist jedoch die Implementierung richtiger Randbedingungen an der Bauteileoberfläche, wie Wärmestrahlung und Konvektion. In Folge der Entwicklung eines thermischen Simulationsprogrammes am Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften und beim Vergleich der simulierten Ergebnisse mit den gemessenen Werten zeigte sich, daß die verwendeten empirischen Formeln zur Beschreibung der Wärmeabfuhr durch freie Konvektion die tatsächlich auftretende Wärmeabfuhr bei kleinen Flächen nicht ausreichend genau beschreiben.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Meßaufbau entwickelt, der die Bestimmung der Wärmeabgabe durch freie Konvektion sowohl von horizontalen als auch von vertikalen Platten mit verschiedenen kleinen Abmessungen ermöglicht. Nach Festlegung der Abmessungen der zu untersuchenden Meßobjekte wurden die Messungen sodann ausgewertet und die Ergebnisse mit jenen verglichen, die sich bei der Verwendung bekannter empirischer Formeln ergeben. Abschließend wurden für die unterschiedlichen Abmessungen und Lagen der Testplatten neue Gleichungen zur Beschreibung der Wärmeabgabe durch freie Konvektion erstellt.