Ein effizientes thermisches Management ist für die meisten elektronischen Bauteile und Geräte unabdingbar. Der langfristige und vor allem sichere Betrieb dieser Komponenten oder Systeme lässt sich nur gewährleisten, wenn die durch den Hersteller spezifizierten Betriebstemperaturen eingehalten sind. Abweichungen zu den im Datenblatt festgelegten Temperaturwerten führen unweigerlich zu Systemstörungen beziehungsweise -ausfällen oder sogar zur Zerstörung ganzer Funktionsbaugruppen. Angaben zur Lebensdauer sind durch den Einsatz effektiver Entwärmungslösungen einzuhalten.

Oberflächenvergrößerung und freie Konvektion

Bild 1: Strangkühlkörper aus Aluminium liefern unzählige effiziente Konzepte sowie Möglichkeiten zur Entwärmung von elektronischen Bauelementen oder -gruppen.

Bild 1: Strangkühlkörper aus Aluminium liefern unzählige effiziente Konzepte sowie Möglichkeiten zur Entwärmung von elektronischen Bauelementen oder -gruppen. Fischer Elektronik

Nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung bieten Strangkühlkörper (Bild 1) aus Aluminium auch aus wirtschaftlicher Sicht eine sehr gute Möglichkeit, den Temperaturhaushalt zu regeln. Die als Wärmesenke fungierenden Kühlkörper sind mit dem zu entwärmenden Bauteil oder System als Kontaktpaarung verbunden. Ein Kühlkörper nimmt somit von der Wirkungsweise her die thermische Energie des zu entwärmenden Bauteils auf und leitet diese über eine angepasste Rippengeometrie an die Umgebungsluft mithilfe der freien Konvektion ab.

Die freie Konvektion wird physikalisch nach dem Newtonschen Gesetz beschrieben, gemäß dessen der Wärmefluss immer nur in Richtung der geringeren Temperatur erfolgt. Kühlkörper liefern als Entwärmungskonzept der freien Konvektion sehr gute Lösungsmöglichkeiten. Aber auch in Verbindung mit zusätzlichen Luftströmungen entstehen wirkungsvolle Konzepte. Der Einsatz von Kühlkörpern – unabhängig von deren Größe und Form – erfordert allerdings neben der Betrachtung der thermischen Performance gleichfalls einen Blick auf die mechanischen Gegebenheiten und produktionsbedingten Toleranzen. Auf die jeweilige Applikation zugeschnittene Entwärmungskonzepte zur Vermeidung temperaturbedingter Systemausfälle sind seitens der Kunden mehr denn je gewünscht und angefragt.

Herkömmliche Strangkühlkörper

Bild 2: Großvolumige Kühlkörperkonzepte für die freie und die forcierte Konvektion finden ihren Einsatz, wenn herkömmliche Varianten an ihre wärmetechnischen Grenzen stoßen.

Bild 2: Großvolumige Kühlkörperkonzepte für die freie und die forcierte Konvektion finden ihren Einsatz, wenn herkömmliche Varianten an wärmetechnische Grenzen stoßen. Fischer Elektronik

Aufgrund vielzähliger positiver Eigenschaften wie der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Aluminiummaterials und dessen Festigkeit sowie des dazugehörigen Preises in Relation zum Wärmeableitvermögen sind Strangkühlkörper für viele Entwärmungsaufgaben das Mittel der Wahl. Die Auslegung und Gestaltung von Strangkühlköpern unterliegt allerdings aufgrund des Herstellungsverfahrens einigen Restriktionen, die Beachtung finden müssen. Strangpressen bedeutet, dass erwärmtes Aluminiummaterial durch eine Matrize mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ gepresst wird.

Die meist verwendeten Knetlegierungen wie zum Beispiel EN AW 6060 enthalten überwiegend Aluminium, Magnesium und Silizium. Bei der Werkzeugherstellung und dem eigentlichen Pressvorgang sind Kühlkörperprofile mit einem umschreibenden Kreis ≤350 mm nach der Toleranz DIN EN 12020 ausgelegt. Für größere Profilquerschnitte mit einem umschreibenden Kreis von >350 mm gilt die Presstoleranz nach DIN EN 755. Anwender von Kühlkörperprofilen müssen somit je nach Größe des Querschnitts stets die auftretenden Toleranzen und Abweichungen beachten.

Hochleistungskühlkörper

Die passive Wärmeabfuhr von großen Verlustleistungen, zum Beispiel von IGBTs oder Solid-State-Relais, ist oftmals mit herkömmlichen Strangkühlkörpern nicht zufriedenstellend möglich. Die wärmetechnische Performance ist aufgrund der Kühlkörperauslegung und Gestaltung nicht ausreichend, weshalb Anwender oftmals auf spezielle Hochleistungskühlkörper (Bild 2) zurückgreifen. Hochleistungskühlkörper sind im Aufbau sehr voluminös und lassen sich aufgrund der Komplexität und Größe nicht in einem Stück im Strangpressverfahren herstellen.

Bild 3: Modulare Gestaltungskonzepte für Hochleistungskühlkörper ermöglichen dem Anwender eine individuelle Kühlkörperanpassung an die Applikationsumgebung.

Bild 3: Modulare Gestaltungskonzepte für Hochleistungskühlkörper ermöglichen Anwendern eine individuelle Kühlkörperanpassung an die Applikationsumgebung. Fischer Elektronik

Das Basiselement von Hochleistungskühlkörpern bildet eine gerade oder U-förmige Bodenplatte, die als Besonderheit eine im Profil integrierte Einpressgeometrie besitzt. Je nach Applikation und Entwärmungsaufgabe lassen sich nun in die Einpressgeometrie unterschiedliche Formen von Voll- oder Hohlrippen aus Aluminium verpressen. Dieser Arbeitsschritt wird mithilfe spezieller Werkzeuge und einer speziell entwickelten Verarbeitungstechnologie durchgeführt und gewährleistet eine formschlüssige und wärmetechnisch optimale Kontaktierung der verpressten Rippen zum jeweiligen Bodenprofil. Die massiven Bodenplatten der Hochleistungskühlkörper fungieren gleichzeitig als Halbleitermontageflächen und ermöglichen des Weiteren aufgrund der Materialstärke eine bessere Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers.

Ausführungen und Maße

Verschiedene Materialstärken der Bodenplatten von 15 bis 20 mm gewährleisten ebenfalls eine sichere und solide Befestigung der Leistungshalbleiter mithilfe angepasster Aufnahmegewinde nach Herstellerangaben. Die bereits angesprochenen Herstellungstoleranzen der Kühlkörper, besonders die Durchbiegung der Kühlkörperprofile in Querrichtung und die Torsion in Längsrichtung, müssen bei der Montage der Bauteile auf dem Kühlkörperboden Beachtung finden. So fordern Hersteller zur Montage zum Beispiel nicht selten für große IGBT-Module Ebenheiten von <0,02 mm. Diese sind allerdings strangpresstechnisch nicht herstellbar und mithilfe einer mechanischen Nacharbeit zu erzeugen. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sind gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung zu erreichen.

Bild 4: Lüfteraggregate sind in ihrem Aufbau und ihrer Wärmetauschstruktur unterschiedlich ausgeprägt, je nach Applikation und Entwärmungsaufgabe effizient einzusetzen.

Bild 4: Lüfteraggregate sind im Aufbau und in der Wärmetauschstruktur unterschiedlich ausgeprägt und je nach Applikation und Entwärmungsaufgabe effizient einzusetzen. Fischer Elektronik

Die produzierbaren Breiten der Hochleistungskühlkörper liegen ebenfalls deutlich über denen der normalen Strangkühlkörper. Hierbei können Anwender aufgrund eines modularen Kühlkörperaufbaus individuell gestalten. Profile mit eingepresster Vollrippengeometrie starten bei einer Kühlkörperbreite von 300 mm und enden bei einer Breite von 750 mm, mit einer jeweiligen Rippenhöhe von 83,5 mm. Im Gegensatz dazu starten Profile mit einer eingepressten Hohlrippe ab 165 mm und enden bei einer Gesamtbreite von 500 mm, wobei die Rippenhöhen je nach Applikation und benötigtem Wärmewiderstand auszuwählen und anzupassen sind (Bild 3).

Der Faktor Luft

Reicht die Wärmeabfuhr mithilfe der freien Konvektion nicht mehr aus oder sind die auftretenden Verlustleistungen zu groß, so spielt der Faktor Luft eine entscheidende Rolle. Hochleistungskühlkörper lassen sich hinsichtlich der Anwendungen der freien sowie der erzwungenen Konvektion differenzieren. Für die freie Konvektion besitzen die Basisprofile eine verpresste Vollrippe, während bei der forcierten Konvektion eine angepasste Hohlrippe zum Einsatz kommt. Hochleistungskühlkörper in der Verbindung mit zusätzlichen Luftströmungen sind allerdings erst dann sehr effektiv, wenn die zum Beispiel durch Lüftermotoren erzeugte Luftströmung durch einen Rippentunnel geleitet wird. Dieses ist normalerweise bei Hochleistungskühlkörpern nicht gegeben, lässt sich allerdings relativ einfach durch ein rippenseitig aufgesetztes Abdeckblech umsetzen. Aufgrund der Abmessungen eines Hochleistungskühlkörpers und der damit verbundenen sowie notwendigen Luftströmungen eignen sich im Praxisbetrieb besonders Radial- und Tangentiallüftermotoren.

Mehr Wirkungsgrad durch Oberflächenstruktur

Bei Hochleistungskühlköpern für die erzwungene Konvektion wird vielfach eine weitere Wirkungsgradverbesserung gegenüber herkömmlichen Kühlkörpervarianten erzielt, indem die Oberflächenstruktur der einzelnen Rippen eine gewellte/kannelierte Struktur besitzt. Diese Oberflächenwellung ist strömungsoptimiert und erreicht abhängig von der Kühlkörpergeometrie eine Steigerung der Wärmeabfuhr von bis zu circa zehn Prozent. Eine Kannelierung der Rippenoberfläche bewirkt einen besseren Wärmeübergang von der einzelnen Rippe zur vorbeiströmenden Luft. Die Welligkeit erzeugt eine turbulentere Strömung gegenüber Glattrippen, was den Wärmeübergang deutlich verbessert. Dieser Vorteil auf der einen Seite bewirkt allerdings auf der anderen Seite einen erhöhten Staudruck innerhalb des Rippentunnels, dem die einströmende Luft entgegenwirken muss.

Lüftermotoren und -aggregate

EckDaten

Aluminium-Strangpresskühlkörper könnten in Sachen Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und Preis bei vielen Entwärmungsaufgaben punkten. Allerdings kommen sie bei der passiven Wärmeabfuhr von großen Verlustleistungen oftmals an ihre Grenzen. Hier greifen Entwickler gern auf Hochleistungskühlkörper zurück, die aus einer Bodenplatte und unterschiedlich eingepressten Voll- oder Hohlrippen aus Aluminium bestehen. Reicht die freie Konvektion auch bei einem Hochleistungskühlkörper nicht aus, lassen sich durch erzwungene Konvektion mithilfe entsprechender Lüftermotoren und -aggregate deutliche Verbesserungen beim Wirkungsgrad erreichen.

Leistungsstarke Lüftermotoren mit unterschiedlichen Wirkprinzipien liefern hierbei sehr gute Lösungsansätze. Die Einströmung der Luft sollte unmittelbar an der Stirnseite des jeweiligen Grundprofils erfolgen. Lüfteraggregate (Bild 4) sind strömungs- und wärmetechnisch optimal auf die verwendeten Lüftermotoren abgestimmt, liefern darüber hinaus vielfältige Lösungsansätze, ob groß oder klein, zur forcierten Konvektion. In Summe ermöglichen Lüfteraggregate einen sehr guten thermischen Wirkungsgrad mit kleinen Wärmewiderständen. Je nach verwendeter Rippengeometrie und dem dazugehörigen Kühlkörperaufbau ergeben leistungsstarke Axial-, Diagonal- oder großvolumige Radiallüftermotoren beziehungsweise -gebläse kleine Wärmewiderstände, die normalerweise nur in den Regionen einer Flüssigkeitskühlung vorzufinden sind. Lüfteraggregate in unterschiedlichen Ausbaustufen sind in der Leistungselektronik vielfach etabliert und liefern als echten Mehrwert für Anwender effiziente Entwärmungslösungen.