Warum Kühlkörpertoleranzen über die Entwärmung entscheiden

Thermische Konzepte zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen, sind essentiell und notwendig, um die verwendeten Bauteile in spezifizierten Temperaturbereichen zu betreiben. Langfristig liefern richtig ausgewählte und angepasste Entwärmungslösungen, langlebige Bauteile und vermeiden deren Ausfall oder Zerstörung. Hauptanwendungsgebiete effizienter Lösungen sind in der Elektronikindustrie, unter anderem und besonders in der Verteidigungstechnik, vorzufinden. Das thermische Design in diesem Bereich erfordert ein ausgewogenes Zusammenspiel aus Zuverlässigkeit, Leistungsdichte, Robustheit und Langlebigkeit. Elektronische Verteidigungssysteme beziehungsweise die dafür benötigten Einzelgeräte, arbeiten unter extremen Umgebungsbedingungen und erfordern höchste Präzision und Stabilität. Ein zuverlässiges Entwärmungskonzept stellt sicher, dass empfindliche elektronische Komponenten unter allen Betriebsbedingungen innerhalb sicherer Temperaturgrenzen bleiben und langfristig betrieben werden. Eine zuverlässige Temperaturkontrolle beeinflusst die Einsatzfähigkeit, Lebensdauer und Sicherheit von Systemen.

Wann reicht passive Kühlung aus?

Passive Entwärmungssysteme sind wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit und geringen Störanfälligkeit in vielen militärischen Anwendungen beliebt. Dazu zählen Strangkühlkörper (Bild 1), Wärmeleitmaterialien oder thermische Massen, z. B. Frästeile aus Aluminium, die die Wärme über die physikalischen Wirkprinzipien an die Umgebung ableiten. Passive Lösungen sind des Weiteren wartungsarm und bieten Vorteile bei elektromagnetischer Tarnung, weil sie keine beweglichen Teile oder laute Lüfter erfordern. Aktive Entwärmungssysteme, wie z. B. Lüfteraggregate (Bild 2), liefern eine deutlich bessere Performance in puncto der Wärmeabfuhr und werden dort eingesetzt, wo passive Lösungen nicht ausreichend sind. Der Betrieb von Lüfteraggregaten mit robusten und redundanten Lüftermotoren ist einfach in der Umsetzung, bedarf allerdings einem zusätzlichen Schutz für die eingesetzten Lüfter gegen Staub und Schutz.

In vielen elektronischen Applikationen verbessern bereits die künstliche Intelligenz und eine zustandsorientierte Wartung das thermische Management durch eine vorausschauende Fehlererkennung und adaptive Steuerung. Vielzählige Sensoren überwachen in Echtzeit die auftretenden Temperaturen in der Applikation und erzeugten Luftmengen bei Lüftermotoren. Des Weiteren optimieren KI-Algorithmen die Lüfterdrehzahlen und verlängern dadurch gleichfalls die Komponentenlebensdauer. Digitale Zwillinge ermöglichen simulationsgestützte Prognosen unter variierenden Umgebungsbedingungen und vereinfachen Tests neuer Entwärmungsdesigns, ohne vollständige physische Prototypen. Die Praxis sowie jahrelange Erfahrung im Bereich der Bauteilentwärmung zeigt allerdings, dass das jeweilige Konzept nicht als Stand-Alone Lösung zu sehen ist, sondern immer als eine im Gerät verbaute Komponente in Zusammenspiel mit anderen Bauelementen betrachtet werden muss. Herstellungsbedingte Toleranzfelder sind zu analysieren und zu bewerten sowie den Einbauparametern anzugleichen.

Herstellungsbedingte Toleranzen richtig bewerten

Konzepte der Bauteilentwärmung, welche auf passiven Strangkühlkörpern oder aktiven Lüfteraggregaten beruhen, bedürfen neben der Berechnung deren thermischen Performance, ebenfalls einer detaillierten Analyse der erforderlichen Toleranzparameter in der jeweiligen Einbausituation. Die in der Elektronikindustrie zur Bauteilentwärmung sehr häufig verwendeten Strangkühlkörper oder auch Profilkomponenten für Lüfteraggregate, werden im Aluminiumstrangpressverfahren hergestellt und obliegen, je nach Größe der Geometrie, internationalen DIN-Normen. In diesen Normen sind die durch die Herstellung zulässigen Toleranzfelder gemäß der Profilgröße und -komplexität beschrieben. Zusammengefasst gilt die Tatsache, dass je größer die hergestellte Geometrie ausfällt, desto größer ebenfalls die dazugehörigen Toleranzabweichungen zur Wunschgeometrie ausfallen. Toleranzabweichungen von einigen Zehnteln bis hin zu einigen Millimetern sind nicht ungewöhnlich und müssen in der Vorplanung des Wärmemanagements unbedingt beachtet werden. Dieses erspart dem Anwender langfristig Zeit und Nerven sowie im Nachhinein oftmals teure Nacharbeitskosten.

Bei Strangkühlkörpern die als Komponente im Gesamtkonzept verbaut werden, gilt es nicht nur die mechanischen Bearbeitungsparameter, wie z. B. die Kühlkörperlänge in Form von Sägetoleranzen, sondern auch die Profilbreite und -höhe, die Winkelabweichung, die Verwindung und Planparallelität sowie die Wanddickentoleranz oder Wölbung (konvex/konkav) des Querschnittes (Bild 3), kritisch zu betrachten. Oftmals führen die auftretenden und herstellungsbedingten unvermeidbaren Toleranzabweichungen zu einer Änderung der Einbausituation oder zu weiteren mechanischen Anpassungen, mit dem Ziel, die eingesetzten Entwärmungskonzepte auch wirklich effizient zu nutzen.

Warum die Ebenheit den Wärmeübergang beeinflusst

Als Beispiel hierfür ist der Kühlkörperboden zu nennen, der in den meisten kundenseitigen Anwendungsfällen als Halbleitermontagefläche fungiert. Bei der toleranztechnischen Beschreibung zur Beschaffenheit der Kühlkörpermontagefläche, wird zwischen den Begriffen Ebenheit und Rauheit differenziert. Planebene Halbleitermontageflächen werden nur durch eine CNC-Optimierung erreicht und haben einen sehr wichtigen Anteil für die richtige, wärmetechnische Kontaktierung der elektronischen Bauteile auf der Wärmesenke. Ein schlechter Wärmeübergang von dem elektronischen Bauteil zum Kühlkörper, reduziert die Wärmeleitung entlang des thermischen Pfades, erhöht somit deutlich die Bauteiltemperatur und kann neben möglichen Funktionseinschränkungen gleichfalls zur Zerstörung des Bauteils führen. Grundsätzlich gilt bei der Kontaktierung von zwei flachen Oberflächen miteinander, wie z. B. bei einem Halbleiter auf dem Kühlkörper montiert, dass die effektive Kontaktfläche ohne weitere mechanische Nachbearbeitung lediglich zwischen zwei bis fünf Prozent liegt. Die verbleibende Fläche ist eine Art Luftpolster bzw. sind Zwischenräume in denen die Luft aufgrund der schlechten Kontaktierung und der sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit als thermischer Isolator wirkt.

Effiziente Umhausungen für Embedded Systems

Profilbasierte Aluminiumgehäuse übernehmen in Embedded Systems weit mehr als nur Schutzfunktionen: Sie verbessern die Integration, unterstützen die passive Kühlung und lassen sich präzise an technische Anforderungen anpassen.

Bettina Lochen

Kühlkörper gezielt lagern und bearbeiten

Die Qualität für hochwertig bearbeitete Entwärmungskonzepte aus dem Material Aluminium startet bei Fischer Elektronik bereits mit der Lagerung des dafür vorgesehenen Rohmaterials. Verschiedenartige Strangpressprofile werden in einem innovativen und vollautomatischen Wabenlager mit zusätzlicher Temperaturregelung sowie Überwachung der Luftfeuchtigkeit bevorratet (Bild 4). Konstante Temperaturen bei angenehmer und kontrollierter Luftfeuchtigkeit, vermeiden auf den Aluminiumprofilen die sogenannte Vorkorrosion. Die Vorkorrosion beschreibt aus technischer Sicht eine Reaktion des Grundwerkstoffs mit seiner Umgebung. Der Effekt ist leider auf einer blanken Aluminiumoberfläche nicht sichtbar und tritt erst in Erscheinung, wenn das Material nach der mechanischen Bearbeitung zusätzlich eloxiert wird. Der Eloxalvorgang, genauer gesagt das Beizen im Prozess, macht die Defekte als Relief auf der Kühlkörperoberfläche sichtbar, was letztendlich zu einem nicht verkaufsfähigen Produkt führt, zumal die Größe und Menge der Defekte, zu einer Beeinträchtigung der Funktion des elektronischen Bauteils oder Systems führen können.

Bei einer kundenspezifischen spanabhebenden Kühlkörperbearbeitung, z. B. für Fräsungen verschiedenster Art, Gewinde oder Bohrungen, obliegt die mechanische CNC-Anpassung der Allgemeintoleranz nach DIN ISO 2768m, sofern der Kunde auf der fertigungsrelevanten Zeichnung nichts anders angegeben hat. In dieser genannten Standardtoleranz für mechanisch bearbeitete Teile, werden die symmetrischen Grenzabmessungen für Längen- und Winkelmaße sowie die Allgemeintoleranzen für Form und Lage festgelegt. Je nach erforderlichem Bearbeitungsgrad und der Profilgeometrie, kann die mit einem m gekennzeichnete mittlere Toleranzklasse, auch in der Form f für fein oder c für grob ausgeführt sein. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Bearbeitungstoleranzen, sollte gleichfalls wie bei den zuvor beschriebenen Kühlkörpertoleranzen eine Abstimmung der mechanischen Bearbeitungstoleranzen auf die Applikation und Einbausituation des Kühlkörpers erfolgen. Sinnvoll und zu empfehlen ist es ebenfalls, spezifische Parameter, Bearbeitungs- und Montagebereiche dementsprechend auf der zugrunde gelegten Fertigungszeichnung anzugeben.

Optimale Wärmesenke für Elektrobauteile

Im Fokus des Forschungsprojekts ThermoPro steht nicht das Kühlkonzept, sondern die Geometrie der Kühlkörper. Ein Softwaretool soll mithilfe von KI die optimalen Geometrieparameter des Kühlers darstellen und Kühlkörper für beliebige Bauteile auslegen.

Neben den genannten frästechnischen Bearbeitungsmöglichkeiten bietet Fischer Elektronik weitere nützliche Konfigurationen. Für Gewinde, bei denen erhöhte Auszugsmomente gefordert sind, werden besondere Drahtform-Gewindeeinsätze (Helicoil) eingeschraubt und ergeben dadurch stark belastbare Normgewinde mit hohen Scherfestigkeiten. Das Einpressen oder Aufschweißen von Gewindebolzen, Gewindebuchsen und Flachsteckern, sandstrahlen und schleifen für homogene Oberflächen, bedrucken der Aluminiumkühlkörper sowie Oberflächenbeschichtungen, wie eloxieren, lackieren und pulverbeschichten, elektrisch leitfähige und RoHS-konforme Beschichtungen mit SurTec 650, runden das Bearbeitungsportfolio ab. (na)