Eckdaten

Stranggepresste Kühlkörper weisen herstellungsbedingte Toleranzen auf, die für eine optimale Entwärmung der montierten elektronischen Bauteile hinderlich sind. Abhilfe schafft die mechanische Nachbearbeitung mit modernen CNC-Fräsmaschinen.

Der Einsatz elektronischer Bauteile in einem vom Hersteller nicht spezifizierten Temperaturbereich senkt unmittelbar deren Lebensdauer und führt zwangsläufig zu Fehlfunktionen in der schaltungstechnischen Anwendung oder gar zur Zerstörung des Bauteils. Um die Temperaturen in einem nach dem Herstellerdatenblatt vorgegebenen Fenster zu halten, kommen in der Praxis sehr häufig Strangkühlkörper zum Einsatz. Diese funktionieren nach dem physikalischen Wirkprinzip der freien natürlichen Konvektion, was durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik definiert ist. Kühlkörper aus Aluminium besitzen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und müssen zur Entwärmung der elektronischen Bauteile mit diesen optimal verbunden sein, um deren thermische Energie aufzunehmen und die Verlustwärme anschließend über die optimal angepasste Oberfläche des Kühlkörpers an die Umgebungsluft abzugeben. Reicht die freie Konvektion aufgrund der anfallenden Wärmemenge nicht aus, kommen für die forcierte Konvektion meist zusätzliche Lüftermotoren in Form von Lüfteraggregaten zum Tragen.

Verschiedenartige Strangkühlkörper aus Aluminium liefern zur Entwärmung elektronischer Bauelemente hervorragende Lösungsmöglichkeiten.

Verschiedenartige Strangkühlkörper aus Aluminium liefern zur Entwärmung elektronischer Bauelemente hervorragende Lösungsmöglichkeiten. Fischer Elektronik

Verwendung in der Praxis

Der Einsatz von Strangkühlkörpern, die im direkten Strangpressverfahren hergestellt sind, klingt in der Theorie relativ einfach, bringt allerdings in der praktischen Anwendung einige Herausforderungen mit sich. Ein effektives thermisches Management für elektronische Bauelemente ist essentiell wichtig, um die Erwärmung der Bauelemente in einem gewissen Temperaturfenster zu halten, zumal die Entwicklung in der Halbleiterindustrie in den vergangenen Jahren kontinuierlich fortgeschritten ist. Viele Leistungshalbleiter haben neue Größenordnungen im Bereich der entstehenden Verlustleistungen erreicht, ohne dass die Abmessungen proportional zugenommen haben. Wo Entwickler aufgrund der mechanischen Abmessungen der Bauteile in der Anwendung an Platz sparen, stehen Schaltungstechniker vor der Herausforderung, pro Flächeneinheit deutlich mehr Verlustleistung abführen zu müssen.

Neben der richtigen Auswahl eines zur Applikation passenden Kühlkörpers mit dem perfekten Verhältnis aus Bodenstärke, Rippendicke, -höhe und -abstand gestaltet es sich darüber hinaus oftmals schwierig, die thermischen Widerstände zwischen dem zu entwärmenden Bauteil und dem Kühlkörper anzupassen oder zu reduzieren. Planebene Auflageflächen zur Bauteilmontage auf dem Kühlkörper sind für das Endergebnis der Entwärmungsleistung enorm wichtig und werden oft von den Herstellern der elektronischen Bauelemente gefordert und im dazugehörigen Datenblatt vorgegeben. Eine optimale wärmetechnische Kontaktierung bei der Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper wird allerdings aufgrund der fertigungsbedingten Toleranzen der einzelnen Kühlkörperprofile erheblich erschwert. Verschiedene auf das Kühlkörperprofil zugeschnittene Wärmeleitmaterialien, aber auch eine nachträgliche CNC-Bearbeitung bieten sich als sehr gute Lösungsmöglichkeit an.

Aktive Entwärmungssysteme in Form von Lüftergaggregaten bewirken gegenüber der natürlichen Konvektion in puncto Wärmeableitung eine erhebliche Leistungssteigerung.

Aktive Entwärmungssysteme in Form von Lüftergaggregaten bewirken gegenüber der natürlichen Konvektion in puncto Wärmeableitung eine erhebliche Leistungssteigerung. Fischer Elektronik

Bei der Herstellung von Kühlkörpern im direkten Strangpressverfahren, auch als Extrusionsverfahren bezeichnet, presst man das erwärmte Aluminiummaterial (Knetlegierung) durch eine in einer Werkzeugkassette enthaltene Matrize. Die durch dieses Herstellungsverfahren hervorgerufenen Toleranzen ergeben sich aus der Kühlkörpergröße und Beschaffenheit der Kühlkörpergeometrie. Sie sind aufgrund des Produktionsverfahrens besonders durch Höhen- und Breitentoleranzen, Durchbiegungen im Querschnitt (konvex/konkav) sowie durch Torsion in Längsrichtung bedingt. Die jeweils maximal zulässigen Toleranzfelder obliegen internationalen DIN-Normen, die die Strangpressprofile je nach umschreibendem Kreis klassifizieren. Extrusionsprofile mit einem umschreibenden Kreis von bis zu 350 mm sind in der DIN EN 12020-2 klassifiziert, während die Toleranzen von Profilen mit einem umschreibenden Kreis von mehr als 350 mm in der DIN EN 755 aufgeführt sind.

Der Kühlkörper ist oftmals eine im elektronischen Gerät verbaute Komponente, die in Zusammenhang mit anderen Bauteilen zu sehen ist. Daher ist es stets empfehlenswert, die genannten Toleranzfelder im Vorfeld in der Gesamtkonzeption zu berücksichtigen und auf Tauglichkeit zu überprüfen. Grundsätzlich gilt, dass je größer die Kühlkörperabmessungen, desto höher sind die Toleranzen und desto mehr fallen auch kleine Maßabweichungen ins Gewicht. Vielfach sind in den Herstellerdatenblättern für die Halbleitermontageflächen der Bauteile auf dem Kühlkörper Ebenheitswerte im Hundertstel-Bereich gefordert, die allerdings mit dem Strangpressverfahren alleine nicht zu realisieren sind. Abgesehen von den Restriktionen bei der Festlegung erforderlicher Toleranzfelder beim Kühlkörperdesign ist das Strangpresseverfahren zur Herstellung von Kühlköpern aus Aluminium die erste Wahl, da sich bei verhältnismäßig niedrigen Werkzeugkosten Kühlkörper mit sehr guten thermischen Eigenschaften in unterschiedlichen Abmessungen und Geometrien relativ einfach herstellen lassen.

Exakte mechanische CNC-Bearbeitung

Aufgrund der vom Anwender benötigten Kühlkörpergeometrie mit der daraus resultierenden Materialanordnung können sich erhebliche Fertigungstoleranzen bezüglich der Durchbiegung der Montageflächen, aber auch der Breiten- und Höhentoleranz ergeben und bedürfen oftmals einer mechanischen Nacharbeit oder einer applikationsspezifischen Anpassung. Exakte Halbleitermontageflächen auf dem Kühlkörper sowie Außenabmessungen des Kühlkörpers in einem je nach Einbausituation vorgegebenen Toleranzbereich lassen sich mithilfe moderner und hochgenauer CNC-Bearbeitungszentren realisieren. Des Weiteren lässt sich die Eloxalschicht des bereits anodisierten Kühlköpers, je nach Positionierung der jeweiligen Bauelemente, an der Bauteilauflagefläche durch mechanische Nacharbeit wieder entfernen. Planebene Montageflächen auf dem Kühlkörper spielen bei der Optimierung von Wärmeübergangswiderständen eine signifikante Rolle, weshalb der präzisen CNC-Nacharbeit des Kühlkörpers besondere Aufmerksamkeit gebührt. Die mechanische Bearbeitung im Bereich der Auflageflächen der einzelnen zu entwärmenden Bauteile sollte idealerweise keine Fräskanten oder gar Fräsabsätze verursachen. Diese können auf der Montagefläche am Kühlkörperboden entstehen, wenn die Kühlkörperbreite größer ist als das verwendete Fräswerkzeug und man somit die Gesamtfläche in mehreren Bahnen planfräsen muss. Solche Fräsabsatzkanten liegen zwar nur im Tausendstel-, maximal im Hundertstel-Millimeterbereich, können aber im ungünstigsten Fall den Wärmeübergang oder bei der Verwendung einer zusätzlichen Keramik sogar die Montage der elektronischen Bauelemente negativen beeinflussen. Zur Vermeidung jeglicher Beeinträchtigungen oder bei dekorativen Ansprüchen empfiehlt es sich, auf der dazugehörigen Fertigungszeichnung die in Frage kommenden Bereiche inklusive der Bauteilposition und -größe sowie die erforderliche Ebenheit anzugeben.

Für spezielle Anwendungsfälle selbst entwickelte Fräs- und Bearbeitungswerkzeuge ermöglichen oftmals den Blick über den Tellerrand hinaus.

Für spezielle Anwendungsfälle selbst entwickelte Fräs- und Bearbeitungswerkzeuge ermöglichen oftmals den Blick über den Tellerrand hinaus. Fischer Elektronik

Innovative Maschinentechnologien und die dazugehörigen Bearbeitungswerkzeuge ermöglichen es auch, die komplette Auflagefläche des Kühlkörpers in einer Bahn plan zu fräsen. Die anschließende Aufbringung einer besonderen Schutzfolie verhindert ein Zerkratzen der bereits bearbeiteten Oberfläche. Ein speziell angefertigter und ausreichend großer Fräskopf sowie die Tragfähigkeit der eingesetzten Spindel in der CNC-Maschine spielen bei der Umsetzung der geforderten Toleranzen eine wesentliche Rolle. Zu den weiteren Kriterien der mechanischen Bearbeitung gehört die exakte und einfache Ausrichtung des Kühlkörpers auf der Maschine durch eine genaue und zuverlässige Spanntechnik. Das als Nullspannsystem bezeichnete Schnellspannsystem verkürzt die Rüstzeiten immens und gewährleistet eine exakte Ausrichtung der zu bearbeitenden Kühlkörper, was gerade bei kleineren Serien oder Prototypen sehr wichtig ist.

Soweit kundenseitig keine speziellen Anforderungen beziehungsweise Toleranzen auf der Zeichnung spezifiziert sind, gelten bei einer mechanischen Bearbeitung, wie zum Beispiel beim Konturfräsen, Bohrungen einbringen oder Gewindeschneiden, üblicherweise die Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768 mit der mittleren Toleranzklasse m. In der genannten Bearbeitungsnorm sind die symmetrischen Grenzabmessungen für Längen- und Winkelmaße sowie die Allgemeintoleranzen für Form und Lage aufgeführt. Je nach Kühlkörpergeometrie und dazugehörigem Bearbeitungsgrad kann man die mit m gekennzeichnete Toleranzklasse auch in der Toleranzklasse f für fein oder c für grob ausführen.

Die stetige Überwachung der einzelnen Produktionsschritte mit dazugehöriger Prozessoptimierung gehört zum Handwerkzeug reproduzierbarer Qualität.

Die stetige Überwachung der einzelnen Produktionsschritte mit dazugehöriger Prozessoptimierung gehört zum Handwerkzeug reproduzierbarer Qualität. Fischer Elektronik

Fazit

Bei der Verwendung extrudierter Strangkühlkörper sollte man vor der Anwendung die möglichen Kühlkörpertoleranzen und die mechanischen Bearbeitungstoleranzen in der Gesamtapplikation prüfen und auf die Einbausituation abstimmen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass bei einer plan gefrästen Montagefläche für die elektronischen Halbleiter die Bodenplatte des Kühlkörpers durch den Materialabtrag dünner wird, folglich sich auch auf der Zeichnung angegebene Gewindetiefen reduzieren können. Mit modernen 3D-Messmaschinen erfolgt eine fertigungsbegleitende Produktions- und Qualitätsüberwachung, die das Bearbeitungsportfolio abrundet, besonders aber reproduzierbare Kundenwünsche und -anforderungen erfüllt.