Bild 3: Hochleistungskühlkörper für die freie oder erzwungene Konvektion bilden die Gruppe der leistungsstärksten Kühlkörperlösungen.

Bild 3: Hochleistungskühlkörper für die freie oder erzwungene Konvektion bilden die Gruppe der leistungsstärksten Kühlkörperlösungen. (Bild: Fischer Elektronik)

| von Jürgen Harpain
Bild 1: Strangpress-Kühlkörper aus Aluminium gibt es in zahlreichen Größen und Formen. Sie sind die Standard-Lösung für Entwärmungsaufgaben in der Elektronik.

Bild 1: Strangpress-Kühlkörper aus Aluminium gibt es in zahlreichen Größen und Formen. Sie sind die Standard-Lösung für Entwärmungsaufgaben in der Elektronik. Fischer Elektronik

Zu hohe Temperaturen sind neben Vibrationen, Feuchtigkeit sowie Staub die häufigsten Ursachen für Ausfälle von elektronischen Baugruppen oder auch einzelnen Bauteilen. Ein wirkungsvolles Temperaturmanagement elektronischer Einheiten ist unabdingbar, wenn ihre Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit sichergestellt werden soll. Verhältnismäßig einfache, überschlagsmäßige Berechnungsmöglichkeiten helfen dabei, die thermischen Anforderungen im Zuge der Entwicklung für die jeweilige Baugruppe beziehungsweise das Bauteil zu ermitteln. Aufgrund solcher Berechnungen lässt sich bereits eine grobe Vorauswahl treffen, welche Entwärmungskonzepte geeignet beziehungsweise sinnvoll sind. Gleichfalls können Entwickler/Designer daraus das zu berücksichtigende Einbauvolumen ableiten. Strangkühlkörper aus Aluminium (Bild 1) sind eine bewährte und effektive Lösung zur Entwärmung. Aluminium besitzt nach Silber, Kupfer, Blei und Gold die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle: 220 J/mK, das sind 60 Prozent des Werts für Silber. Die Kühlkörper leiten die Wärme vom Ort der Entstehung zu den kühleren Stellen des Kühlkörpers aufgrund der Wärmeleitung. Besonders an den kühleren Stellen (Wärmeaustauschflächen) wird die Wärme an die Umgebungsluft übertragen und durch Konvektion abgeführt.

Eck-DATEN

Stranggepresste Aluminiumkühlkörper haben ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen Preis, Leistung, Volumen und Gewicht. Das kostengünstige Herstellungsverfahren hat jedoch seine Grenzen bezüglich der Leistungsfähigkeit der Kühlkörper. Werden die abzuführenden Wärmemengen verhältnismäßig groß in Bezug auf die Kontaktflächen zum Bauteil/Baugruppe oder das Volumen des zur Verfügung stehenden Bauraums, werden Hochleistungskühlkörper erforderlich. Die Herstellungsverfahren für Aluminium-Hochleistungskühlkörper erlauben es, sie individuell auf die Anforderungen der jeweiligen Entwärmungsaufgabe auszulegen.

Standard-Kühlkörper im Strangpress-Verfahren

Das Strangpressen von Aluminium ist ein gängiges Verfahren zur Herstellung von Aluminiumprofilen wie Kühlkörpern. Dabei wird ein Alu-Strang bei erhöhter Temperatur durch eine formgebende Werkzeug-Öffnung gepresst. Deshalb nennt man das Verfahren auch Druckumformung oder Extrusion. Dadurch erhält der Alu-Strang eine neue Querschnittsform. Die häufig zum Strangpressen von Kühlkörpern verwendeten Aluminiumlegierungen bestehen hauptsächlich aus Aluminium sowie Magnesium und Silizium. Aluminium-Knetlegierungen, auch als EN AW (Europäische Norm, Aluminium Wrought) Legierung bezeichnet, zeichnen sich durch gute Verarbeitungseigenschaften und eine gute Wärmeleitfähigkeit aus; dazu kommt ein ausgezeichnetes Verhältnis zwischen Preis, Leistung, Volumen und Gewicht.

Zur industriellen Elektronik-Entwärmung werden vor allem die Aluminium-Legierungen EN AW 6060 und EN AW 6063 eingesetzt, deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 200 und 220 J/mK liegt. Abweichende Pressmaterialien können unter bestimmten Voraussetzungen hergestellt werden, bedürfen allerdings einer genauen Prüfung und sind stark tonnageabhängig. Die zugrunde gelegten Toleranzfelder richten sich je nach Größe des Kühlkörperprofils und können angefangen von einigen Zehnteln bis hin zu etlichen Millimetern betragen.

Bild 2: Baukastensysteme aus einzelnen Kühlrippen, die miteinander verbunden werden, ermöglichen die Gestaltung von individuellen Kühlkörperlösungen.

Bild 2: Baukastensysteme aus einzelnen Kühlrippen, die miteinander verbunden werden, ermöglichen die Gestaltung von individuellen Kühlkörperlösungen. Fischer Elektronik

Individuell hergestellte Kühlkörper

In größeren elektronischen Bauteilen und Baugruppen wie zum Beispiel Leistungshalbleitern sind die abzuführenden Wärmemengen oft so groß, dass sie sich mit Standard-Strangkühlkörpern nicht ausreichend oder nur sehr schwer abführen lassen. Auch die Bauteilgrößen wie bei SSR- oder IGBT-Modulen erfordern deutlich höhere Leistungsfähigkeiten. Hochleistungskühlkörper, die stärkste Leistungsklasse von Aluminiumkühlkörpern, sind dafür geeignet. Aufgrund ihrer geometrischen Abmessungen und dem damit verbundenen Verhältnis zwischen Kühlkörperbreite, Bodenstärke, Rippenabstand und -höhe lassen sie sich jedoch nicht in einem Stück als Strangpressprofil herstellen. Ihre Herstellung erfordert zwei oder mehr Prozess-Schritte.

Bei dem einen Herstellungsverfahren (Bild 2) werden verschiedenartige Kühlrippen in den Höhenabmessungen von 60 bis 140 mm im Strangpressverfahren hergestellt. Diese Rippen besitzen am Fußende ein spezielles, aufeinander abgestimmtes Nut- und Federsystem. Mittels aufeinander abgestimmter Toleranzfelder werden nun mehrere Rippen miteinander als Block verpresst. Individuell gewählte Kühlkörperbreiten sowie Rippenhöhen ermöglichen es nun, die Leistungsfähigkeit der Kühlkörper anwendungsgerecht auszulegen. Das Ablängen auf die gewünschte Tiefe beziehungsweise Kühlkörperlänge erfolgt mit Sägeverfahren.

Bild 3: Hochleistungskühlkörper für die freie oder erzwungene Konvektion bilden die Gruppe der leistungsstärksten Kühlkörperlösungen.

Bild 3: Hochleistungskühlkörper für die freie oder erzwungene Konvektion bilden die Gruppe der leistungsstärksten Kühlkörperlösungen. Fischer Elektronik

Ein zweites Verfahren zur Herstellung von Hochleistungskühlkörpern beruht auf einem im Strangpressverfahren angefertigtem Grundprofil. Dieses besitzt ebenfalls eine besondere Einpressgeometrie, in die je nach Anwendung verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen (Bild 3) eingepresst werden. Die so gefertigten Hochleistungskühlkörper sind sowohl für die freie als auch erzwungene Konvektion geeignet beziehungsweise wärmetechnisch ausgelegt. Das Verschweißen mehrere Kühlkörper erlaubt es, größere Kühlkörperbreiten von 200 bis 900 mm zu verwirklichen.

Grundsätzlich gilt, unabhängig vom Herstellungsverfahren: Je dicker die Basisplatte des Kühlkörpers als Halbleiter-Montagefläche, umso besser ist die Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Hochleistungskühlkörpers. Halbleiter-Montageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf ihre Ebenheit und Rauheit, etwa für leistungsstarke IGBT-Module, lassen sich durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung herstellen.

Bonded Fin-Kühlkörper (Bild 4), auch Lamellenkühlkörper genannt, lassen sich ebenfalls an individuelle Anforderungen anpassen. Mithilfe einer erzwungenen Konvektion ermöglichen sie eine äußerst effektive Entwärmung. Das Fertigungsverfahren erlaubt es, Lamellenkühlkörper mit einem Zungenverhältnis von bis zu 40:1 und höher herzustellen. Die große Oberfläche kombiniert mit einer hohen Rippendichte führt zu einer sehr großen Oberfläche pro Volumeneinheit, deren Leistungsfähigkeit durch die erzwungene Konvektion weiter verbessert wird.

Bild 4: Mit Hilfe von individuellen anpassbaren Lamellenkühlkörpern lassen sich besonders für die Entwärmung mit erzwungener Konvektion sehr hohe Rippenverhältnisse generieren.

Bild 4: Mit Hilfe von individuellen anpassbaren Lamellenkühlkörpern lassen sich besonders für die Entwärmung mit erzwungener Konvektion sehr hohe Rippenverhältnisse generieren. Fischer Elektronik

Lamellenkühlkörper bestehen aus einer hochwärmeleitenden Aluminiumlegierung. Zur Halbleitermontage können sie mit einer oder zwei Basisplatten ausgestattet werden. Die Basisplatten gibt es in Standardabmessungen als stranggepresstes Grundprofil oder in kundenseitig gewünschten Abmessungen aus bearbeitetem Vollmaterial. Die Basisplatten besitzen eine spezielle Nutgeometrie zum Einpressen der Aluminium- oder auch Kupferlamellen. Ein spezieller Wärmeleitkleber sorgt für einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand von der einzelnen Lamelle in den Kühlkörperboden; er vermeidet mögliche Lufteinschlüsse, dient aber auch zur mechanischen Stabilisierung der Konstruktion. Zudem sind die Halbleitermontageflächen der Bonded Fin-Kühlkörper exakt plan gefräst.

Lamellenkühlkörper lassen sich auch komplett aus Kupfermaterial fertigen. Die Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer ist um etwa 80 Prozent höher als von Aluminium. In vielen Fällen reicht es aber bereits aus, eine Basisplatte aus Kupfer als Wärmeverteiler (Heatspreader) zu verwenden, besonders wenn die Wärmeeintragsflächen klein sind.

Grundsätzlich lassen sich Bonded Fin-Kühlkörper mit einer maximalen Kühlkörperbreite und -länge von 400 mm mit einer maximalen Basisplattendicke von 30 mm herstellen. Der minimale Rippenabstand zwischen den einzelnen Kühlrippen beträgt 2 mm bei einer maximalen Rippenhöhe von 120 mm, wobei die Rippendicke 0,8 mm, 1 mm, 1,5 mm oder 2 mm betragen kann.

Jürgen Harpain

Entwicklungsleiter, Fischer Elektronik, Lüdenscheid

(dw)

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