Passive Hochleistungskühlkörper

Das physikalische Wirkprinzip der freien, natürlichen Konvektion, wird aufgrund der Geräuschlosigkeit in vielen technischen Applikationen und auch in der Leistungselektronik gerne gesehen. Typische Strangkühlkörper erreichen aufgrund von hohen Verlustleistungen oder applikationsspezifischer Randbedingungen oftmals ihre Grenzen in Form der maximal abzuführenden Wärmeleistung. Sogenannte Hochleistungskühlkörper (Bild 2) richten sich wegen ihres Aufbaus und ihrer Geometrie speziell an solche Anwendungsfälle. Da die Herstellung dieser Kühlkörper aber verschiedenen Restriktionen unterliegt, bestehen Hochleistungskühlkörper zunächst aus zwei Teilen und werden erst in einem späteren Arbeitsschritt zusammengefügt.

Hochleistungskühlkörper unterstützen je nach Applikation die freie oder erzwungene Konvektion durch das Verpressen unterschiedlicher Rippengeometrien.

Hochleistungskühlkörper unterstützen je nach Applikation die freie oder erzwungene Konvektion durch das Verpressen unterschiedlicher Rippengeometrien. Fischer Elektronik

Der im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörperboden in U-Form lässt sich strangpresstechnisch nur bis zu einem Breitenmaß von maximal 400 mm aus einem Stück fertigen. Er dient später auch als Halbleitermontagefläche. Größere Breitenvarianten sind deshalb in der Mitte zusätzlich verschweißt. Bei noch größeren Ausführungen gibt es bis zu drei Verschweißungen an unterschiedlichen Stellen. Mittels Reibrührschweißens (Friction Stir Welding) ist es auch möglich, Aluminiumprofile in Breiten von bis zu 900 mm herzustellen. Dieser Prozess verbindet einzeln gepresste Kühlkörperböden im kalten Zustand nur mit deren Eigenmasse plastisch miteinander. Die Halbleitermontagefläche weist eine Materialstärke je nach Typ von 15 bis 20 mm auf und sorgt somit einerseits für eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers, anderseits für eine sichere und feste Bauteilmontage mit verschiedenen eingebrachten Gewindetypen. Die Rückseite des Kühlkörperbodens, also die nach innen zeigende Fläche, enthält eine spezielle Einpressgeometrie, welche ebenfalls direkt durch das Strangpressen entsteht. Je nach Applikation lassen sich die Kühlkörper auch um verschiedenartige Voll- oder Hohlrippen erweitern. Mithilfe einer kannelierten Rippenoberflächenstruktur wird eine Wirkungsgradverbesserung von rund zehn Prozent bei der Wärmeabstrahlung von den Rippen an die Umgebungsluft gegenüber herkömmlichen Glattrippen erzielt.

Neben einer soliden und guten Befestigungsmöglichkeit der Leistungshalbleiter durch angepasste Aufnahmegewinde im Kühlkörperboden bedarf es einer zusätzlichen Betrachtung. Die Kühlkörperprofile sind aufgrund der komplexen Herstellung ohne mechanische Nachbearbeitung niemals hundertprozentig eben, sondern erschweren eine thermische Kontaktierung wegen einer Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung. Hinzu kommen Toleranzen bei der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung sowie Planparallelität, die je nach Applikation und Einbaubedingung unterschiedlich ausfallen kann. Entwickler müssen diese auch berücksichtigen.

Das folgende Beispiel verdeutlicht die wichtige Rolle der genannten Toleranzen: Ein Kühlkörper mit einer Breitenabmessung von 750 mm und einer Gesamtrippenhöhe von 83,5 mm inklusive einer Bodenstärke von 20 mm, darf laut Fertigungszeichnung eine Winkelabweichung der Rippen zueinander von bis zu 3 mm aufweisen. Die Abweichung der Ebenheit der Halbleitermontagefläche, also dem Kühlkörperboden, kann als Hüllkurve gesehen höchsten 3,6 mm betragen (konvex/konkav). Das genannte Beispiel verdeutlicht, dass die etwa für große IGBT-Module nach Herstellerangaben geforderten Ebenheiten von <0,02 mm, ohne jegliche CNC-technische Nacharbeit nicht zu erreichen oder presstechnisch nicht herzustellen sind. Ein innovativer CNC-Maschinenpark mit geeigneten Fräswerkzeugen, bietet allerdings hervorragende Möglichkeiten und Lösungen für Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit.

Wie sich Luft und Wasser zur Kühlung nutzen lassen, lesen Sie auf der nächsten Seite.

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