Wärmemanagement lässt Elektronikbauteile länger leben

Die am häufigsten eingesetzten Elemente zur Kühlung von Elektronik sind klassische Strangkühlkörper (Bild 1), die zur Wärmeaufnahme mit dem zu kühlenden Bauteil verbunden werden. Zwischen Kühlkörper und Elektronikbauteil erfolgt der Wärmefluss nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik immer in Richtung der geringeren Temperatur, also von warm nach kalt. Kühlkörper, auch Wärmesenken genannt, nehmen die thermische Energie des zu kühlenden Bauteils auf und leiten diese über eine vergrößerte Oberfläche des Kühlkörpers (Rippenstruktur) an die Umgebungsluft ab.

In der Fachliteratur sind Kühlkörper als berippte Flächen definiert. Je größer die wärmeübertragende Oberfläche eines Körpers ist, desto besser ist der Wärmeübergang von diesem Körper zum umgebenden Fluid. Beim Kühlkörperdesign versuchen die Hersteller deshalb, eine möglichst große Wärmetauschfläche zu erzielen, wobei einige physikalische Gegebenheiten limitierend wirken und zu berücksichtigen sind. Im ungünstigsten Fall können sich einzelne Rippen und Flächen, je nach Geometrie und Temperaturfeldern, gegenseitig negativ beeinflussen. Darüber hinaus müssen bei der Kühlkörpergestaltung das Auftriebsverhalten sowie Grenzschichtbetrachtungen Beachtung finden.

Bild 1: Extrudierte Strangkühlkörper aus Aluminium bieten verschiedenartige Möglichkeiten der Entwärmung. Fischer Elektronik

Weitere Faktoren, die die Kühlkörperwirkung limitieren, ergeben sich aus dem Herstellungsprozess des Strangpressens. Zur Herstellung von Strangkühlkörpern aus Aluminium dient das direkte Extrusionsverfahren. Dies bedeutet, dass der erwärmte Aluminiumblock durch eine Matrize mit negativ eingebrachter Kühlkörpergeometrie gepresst wird. Das Aluminiummaterial, in Europa als EN-AW-Legierung bezeichnet (EN für Europäische Norm und AW für Aluminium Wrought), enthält in der Knetlegierung überwiegend Aluminium, Magnesium und Silizium.

Strangpressen für enges Zungenverhältnis

Kühlkörpergeometrien mit einer möglichst großen Wärmetauschfläche beziehungsweise möglichst vielen Rippen und einem engen Rippenabstand, bedürfen beim Strangpressen ebenfalls einer Matrize mit engem Zungenverhältnis. Das Zungenverhältnis beschreibt beim Strangpresswerkzeug den Zusammenhang zwischen Nuttiefe und -breite beziehungsweise zwischen Rippenhöhe und Rippenabstand eines Profilquerschnittes.

Je nach Presswerk und der vorhandenen Strangpressanlage sind heute Zungenverhältnisse von 4:1 bis 16:1 gegeben. Wie bereits erwähnt, ist die gewünschte Kühlkörpergeometrie in der Werkzeugmatrize als negativ zu sehen. Dies heißt, im Werkzeugaufbau bleiben schmale Stege ähnlich wie bei einem Haarkamm stehen, die den Rippenabstand zwischen den einzelnen Rippen ergeben. Je nach Presskraft der eingesetzten Strangpresse wirken auf diesen Steg je Quadratmillimeter Kräfte von einigen hundert Newton.

Bild 2: Bonded-Fin-Kühlkörper ermöglichen ein enges Rippenverhältnis, das über die Strangpresstechnik nicht zu realisieren ist. Fischer Elektronik

Presskraft und Materialfluss des Aluminiums versetzen den Steg in Schwingung. Je nach Materialdicke (Rippenabstand) kann der Steg im ungünstigsten Fall brechen, wobei die Techniker dann von einem Werkzeugbruch sprechen. Um Werkzeugbruch zu vermeiden sowie aus wirtschaftlichen Aspekten ist beim Kühlkörperdesign auch auf die technische Machbarkeit und die Haltbarkeit der Strangpresswerkzeuge zu achten. Ein gesundes Maß hierzu ist gegeben, wenn Kühlkörperbodenstärke, Rippenhöhe und -stärke sowie Rippenabstand immer in einem technisch vertretbaren Verhältnis liegen.

Engmaschige Lamellenkühlkörper

Eine möglichst große Oberfläche als Wärmetauschfläche verlangen die Entwickler speziell bei aktiven Anwendungen der Kühlung mit zusätzlichen Lüftermotoren beziehungsweise Luftströmungen. Effiziente Lösungsmöglichkeiten bieten engmaschige Lamellenkühlkörper (Bild 2), auch Bonded-Fin-Kühlkörper genannt. Schwierige wärmetechnische Entwärmungsparameter und zusätzlich komplizierte Einbaubedingungen sind oft nur durch speziell angefertigte Kühlkörperlösungen realisierbar.

Lamellenkühlkörper lassen sich mit einem Zungenverhältnis von bis zu 40:1 und höher herstellen und sind in allen Abmessungen individuell auf die kundenspezifischen Erfordernisse anzupassen. Diese Art der Kühlkörper und die damit verbundene hohe Rippendichte beziehungsweise die volumetrisch größere Oberfläche steigern unter Nutzung der erzwungenen Konvektion mittels Luftströmungen die Effizienz. Je größer die Oberfläche des Kühlkörpers, desto mehr Wärmeenergie kann er von den elektronischen Bauelementen aufnehmen und an die Umgebungsluft abführen.

Bild 3: Runde Lamellenkühlkörper lassen sich besonders für den Bereich LED-Beleuchtung beliebig gestalten. Fischer Elektronik

Die Bodenplatten von Lamellenkühlkörpern bestehen aus einem Strangpressprofil mit einer speziellen Nutgeometrie. In die Geometrie der Aluminiumgrundprofile, der Legierung EN AW 6060, werden in einem speziellen Herstellungsverfahren Aluminiumbleche eingepresst. Um Lufteinschlüsse in der Einpresszone zwischen Basisprofil und Aluminiumlamelle zu vermeiden, nutzen die Fertigungstechniker zusätzlich zur Fixierung und zur Auffüllung einen hochwärmeleitenden Wärmeleitkleber.

Kundenspezifische Vorgaben erfüllen

Dies sorgt für einen optimalen Wärmeübergangswiderstand zwischen Grundplatte und Kühllamellen. Die Abmessungen der Lamellenkühlkörper, auch in Punkto Lamellenform und Basisplattenmaterialstärke, lassen sich nach kundenspezifischen Vorgaben mit ein- oder doppelseitigen, exakt plangefrästen Halbleitermontageflächen herstellen. Die maximale Kühlkörperbreite und -länge liegt bei 400 mm bei einer maximalen Basisplattendicke von 30 mm. Der minimale Rippenabstand zwischen den Kühlrippen beträgt 2 mm bei einer maximalen Rippenhöhe von 120 mm, wobei die Rippenstärke 0,8 mm, 1 mm, 1,5 mm oder 2 mm betragen kann.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, für spezielle Applikationen, die Lamellenkühlkörper komplett aus Kupfermaterial umzusetzen. Die Basisplatte aus Kupfer fungiert hierbei aufgrund der wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit als Heatspreader zur Wärmespreizung und liefert für etliche Anwendungen einen Mehrwert.

LED-Technik kühlen

Zur Entwärmung bei LED-Technik gibt es leichtere Lamellenkühlkörper in runder Ausführung (Bild 3). Bezüglich Gewichtseinsparung bieten Lamellenkühlkörper mit umlaufenden oder aufgesetzten Blechrippen nicht nur in der LED-Technik Vorteile. Der Innenkern zur Aufnahme der LED oder von CoB-LEDs (Chip-on-Board) besteht aus einem Aluminiumvollkern mit umlaufend eingebrachten Nuten. Wie bei den beschriebenen Ausführungen werden ebenfalls Aluminiumbleche zur Wärmeableitung über die Press-/Klebeverbindung in die Nuten eingesetzt.

Sämtliche Abmessungen beziehungsweise Kühlkörperbestandteile, wie der Kerndurchmesser zur Aufnahme der LED, die Blechanzahl, -dicke und -geometrie, sind nach Kundenvorgaben modifizierbar oder lassen sich an die verwendeten LED-Module und deren Größe anpassen. Aufgrund der gegebenen Designfreiheiten bei der Kühlkörpergestaltung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, komplette LED-Systeme (Reflektor und LED-Halter) oder Lüftermotoren zur aktiven Entwärmung zu integrieren. Aufnahmekerne zur Wärmespreizung aus Kupfer oder Varianten mit aufgesetzten Kühllamellen sind gleichermaßen umsetzbar.

Bild 4: Neben der bewährten Bonded-Fin-Technologie ermöglichen neuartige Fertigungsverfahren die Herstellung von Kühlkörpern mit einigen Vorteilen. Fischer Elektronik

Bei der Gestaltung von Kühlkörpern mit sehr kleinem Verhältnis zwischen Rippendicke und -abstand bieten neuartige Fertigungsverfahren weitere vorteilhafte Designmöglichkeiten in Punkto Kühlkörpereffizienz. Die neuartigen Lamellenkühlkörper mit engem Zungenverhältnis bestehen aus einem Stück beziehungsweise werden aus Aluminiumvollmaterial gefertigt (Bild 4), was den Wärmeübergang von der Kühlkörperbasisplatte in die Kühlrippen aufgrund des gleichen Grundmaterials aus wärmetechnischer Sicht nochmals verbessert.

Lamellenkühlkörper oberflächenbeschichten

Zusätzlich lassen sich die so hergestellten Lamellenkühlkörper besser oberflächenbeschichten, zum Beispiel eloxieren, da besonders für kritische Anwendungen wie in der Medizintechnik oder an Einbauorten mit hoher Luftfeuchte der Wärmeleitkleber wie er bei der normalen Herstellungsweise verwendet wird, nicht als Barriere wirkt. Auch die Lamellenkühlkörper aus Vollmaterial lassen sich an kundenspezifische Bedürfnisse und Einbaubedingungen anpassen.

Derzeit sind Kühlkörper mit Breiten bis maximal 250 mm mit einer Bodenstärke von 4 bis 20 mm herstellbar, wobei die minimale Rippendicke bei einem Rippenabstand von 2, 2,5, 3, 4 und 5 mm bei 0,8 mm liegt. Die aktuell maximale Rippenhöhe (ohne Dicke der Basisplatte) beträgt 38 mm mit einer maximalen Kühlkörperlänge von 1500 mm.

(hb)