Optimierte Kühlung elektronischer Bauteile

Lediglich ein kleiner Anteil der Leistungsaufnahme aktiver Bauteile endet als Signal, der Rest wird zu Wärme. Der Begriff Verlustleistung beschreibt die Differenz zwischen Leistungsaufnahme und Leistungsausgabe. Für ohmsche Verbraucher ist die Wärmeentwicklung quasi Programm. Dieser Umstand ist zwingend bereits in der Entwicklungsphase zu berücksichtigen, sowohl bei den einzelnen Bauteilen als auch bei einem komplexen elektronischen System. Denn die Reaktionsgeschwindigkeit, Stabilität und Lebensdauer elektronischer Komponenten nehmen bei steigenden Temperaturen rapide ab und beim Überschreiten einer kritischen Temperatur kommt es unweigerlich zum Ausfall.

Zu den Kleinkühlkörpern zählen gestanzte Finger-, Aufsteck-, Einlöt-, SMD- und U-Kühlkörper aus verschiedenen Materialien. Kupfer bietet eine bessere Wärmeleitung als Aluminiumlegierungen. Rutronik

Im Gegensatz dazu gilt, dass eine konstant reduzierte Wärmequelle die Lebensdauer vervielfältigen kann. Kühlkörper vergrößern die Oberfläche der zu kühlenden Bauteile um das x-fache und verhindern durch die daraus resultierende ansteigende Konvektion eine Überhitzung der Baugruppe. Gerade beim Betrieb elektronischer Baugruppen bei hohen Umgebungstemperaturen ist die strikte Einhaltung der vorgegebenen zulässigen Arbeitstemperatur der Bauelemente von beispielsweise +85 °C oder gar im erweiterten Temperaturbereich bis +125 °C unbedingt einzuhalten. Selbst kurzfristige Überschreitungen der maximalen Junction-Temperatur bei Halbleitern führen unweigerlich zur Schädigung oder gar Zerstörung des Bauteils.

Kleinkühlkörper und fließgepresste Kühlkörper

Zu den Kleinkühlkörpern mit einem Wärmewiderstandsbereich größer als 16 K/W zählen die gestanzten Finger-, Aufsteck-, Einlöt-, SMD- und U-Kühlkörper. Im Angebot sind verschiedene Materialien, vom gestanzten Aluminium in Plattenstärken von 0,6 bis 1,5 mm bis hin zur Kupferlegierung C1100, nach Bedarf auch eloxiert, voll- oder teilverzinnt. Kupfer bietet mit etwa 380 W/(m·K) eine bessere Wärmeleitung als Aluminiumlegierungen mit etwa 220 W/(m·K). Dennoch sind Kupferlegierungen je nach Applikation  nicht unbedingt immer zu bevorzugen.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Kühlkörpern etwa für BGAs, PGAs und  automotive Applikationen ist die Fließpresstechnik. Das kalte Aluminium wird hierbei unter hohem Druck zum Fließen gebracht. Die Vorteile dieses Produktionsverfahrens sind eine extrem enge Einhaltung von Oberflächentoleranzen, eine homogene Materialanordnung und eine Gefügestruktur in Richtung des Wärmeflusses, die für eine schnelle, gleichmäßige Wärmeableitung sowohl an der Kühlkörperbasis als auch an den Stiften beziehungsweise Rippen sorgt. Durch die spezielle Stift- respektive Rippenform sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Luft als bei extrudierten Rippen möglich.

Extrudierte Aluminiumprofilkühlkörper für High-Power-Applikationen

Um niedrigere Wärmewiderstände zwischen 6 und 16 K/W zu erzielen, reichen gestanzte Kühlkörper mit ihrer leichten Bauweise nicht aus. Hierfür sind Kühlkörper aus Strangpressprofil in Standardlängen verfügbar, mit und ohne Lötstifte. Dabei kommen ausschließlich extrudierte Profile der Legierungen AL6060 und AL6063 zum Einsatz. Die in Asien meist verwandte Legierung AL6063 ist etwas weicher als die europäische Version AL6060 und kann somit je nach Profilkontur beziehungsweise Rippengeometrie bei der Profilherstellung und anschließenden Bearbeitung von Vorteil sein. Man unterscheidet zwischen Kamm-, Doppelkamm-, Wellenrippen-, Stern,- Gewindekanal-, Winkel- und Rippenprofilen mit Montageflächen und kundenspezifischen Aluminiumprofilen.

Wenn gestanzte Kühlkörper nicht ausreichen, kommen extrudierte Aluminiumprofilkühlkörper für Wärmewiderstände zwischen 6 und 16 K/W zum Einsatz. Verfügbar sind Standardlängen mit und ohne Lötstifte. Rutronik

Strangkühlkörper in Standardlängen von Assmann umfassen ein breites Spektrum an Profilen mit Standardlochbildern, eingepressten Lötstiften, Gewindelöchern oder bereits extrudierten Gewindekanälen. Bei Kühlkörpern mit Lötstiften entfällt eine Verschraubung, da sie sich zusammen mit der Komponente auflöten lassen.

Profile mit extrudierten Gewindekanälen bieten dafür den Vorteil, dass die elektronischen Bauteile ohne separate Bearbeitung (Lochung und Gewinde schneiden) mit dem bestehenden Kanal montierbar sind. Auch hier entscheidet letztendlich die Applikation, welche Variante vorzuziehen ist. Bei den Strangpressprofilen stehen ebenfalls verschiedene Standardprofile mit Profilbreiten bis zu 600 mm zur Auswahl, zum Beispiel für mehrere in Reihe geschaltete Transistoren oder MOSFETs. Die großflächige, teilweise kannelierte Rippengeometrie sorgt hier für einen Wärmewiderstand von <6 bis zu <1 K/W.

Spezialfälle erfordern Sonderlösungen

In manchen Anwendungen erzielen Standardprodukte jedoch keine ausreichende Kühlung. Hierfür stehen Sonderlösungen zur Auswahl, mit alternativen Materialien, spezifischen Profillängen, CNC-Bearbeitung bei notwendigen Fräsarbeiten (Lochung, Bohrung, Gewindeschneiden), Sonderprofilquerschnitten, Hohlrippenprofilen oder geschweißten Kühlkörpern, eloxierten Sicht- und Dekor-Oberflächen oder Sonderverpackungen für manuelle, semi- und vollautomatische Bestückungen.

Gelungenes Beispiel für ein Spezialprofil, das Hohlrippenprofil, kannelierte Rippengeometrie (größere Oberfläche), extrudierte Schraubkanäle und Dekor-Alu-Oberfläche mit einer Eloxalschichtdicke von >15 µm vereint. Rutronik

Bei Sonderlösungen ist es noch wichtiger als bei Standardprodukten, dass frühzeitig möglichst viele Informationen in das Design einfließen. Dabei arbeitet Rutronik eng mit Herstellern wie Assmann zusammen, um in jeder Hinsicht das Beste für die Kunden herauszuholen. Zwingend notwendig sind hierfür ausreichend bemaßte Profil- und Bearbeitungszeichnungen, inklusive der geforderten Toleranzen. Bei komplexen kundenspezifischen Profilen sind 3D-Daten sehr hilfreich. Ist in der Bearbeitungszeichnung angegeben, welche Oberfläche der Kühlkörper haben soll, zum Beispiel ob kratzerfrei oder geschliffen, lässt sich dies in der Auswahl gleich berücksichtigen.

(mou)