Stiftkühlkörper zum Entwärmen von leistungselektronischen Bauteilen

Seit Anfang 2014 hat die Alutronic Kühlkörper Stiftkühlkörper im Programm, die sich auch in Leistungsklassen mit einer Abwärme von über 500 W eignen.Alutronic Kühlkörper

Der Bauraum für die sichere Entwärmung von IGBTs, Endstufen, MOSFETs, Hochleistungs-LEDs und ähnlicher Leistungselektronik ist meist begrenzt. Auch das Gewicht, die Möglichkeiten bei der Montage und die Materialkosten des Kühlkörpers spielen eine Rolle. In vielen Anwendungsfällen sind Stiftkühlkörper wirtschaftlich, konstruktiv und weisen thermisch klare Vorteile gegenüber Strangpressprofilen auf. Gerade für Leistungsmodule mit hoher Verlustleistung waren jedoch bislang als Standard keine Modelle in der erforderlichen Größe erhältlich.

Alutronic Kühlkörper hat sich dieser Thematik angenommen und entwickelte Stiftkühlkörper in 50 verschiedenen Standardausführungen, die unter anderem in den Leistungsklassen mit einer Abwärme von über 500 W Einsatz finden können. Sie laufen unter der Bezeichnung Powerbloc.

Hinsichtlich Bearbeitung, Oberflächenveredelung, Befestigung und Zubehör lassen sich kundenspezifische Anpassungen umsetzen – auch für kleine und mittlere Serien.

Die Basis zählt

Das angewandte Fließpressverfahren und die resultierende hohe Materialdichte der Stiftkühlkörper in nahezu reiner Aluminiumlegierung (Al 99,5) sorgen für eine Wärmeleitung von bis zu 236 W/mK. Gleichzeitig erlaubt es eine gute Wärmeverteilung, da das Material in Wärmefluss- und Materialflussrichtung – von der Basis bis in die Stiftenden – dieselbe Struktur aufweist.

Für den optimalen Wärmeeintrag in die Basisfläche sorgt die standardmäßige Ebenheit der Montagefläche von weniger als 0,1 mm. Erhältlich als Round- oder Square-Cut, sind die 50 Stiftkühlkörper hinsichtlich ihrer Abmessungen, aber auch was die Stiftdichte betrifft, größer als bisher von deutschen Herstellern erhältlich. Die Werkzeugtechnik ermöglicht es, Stiftkühlkörper mit einer Montagefläche von bis zu 160 x 260 mm und eine Gesamthöhe von 40 mm aus einem Stück herzustellen.

Außer den 50 verschiedenen Standardausführungen sind Modelle nach Kundenspezifikation realisierbar.Alutronic Kühlkörper

Schnelle Wärmespreizung auf kleinem Raum

Bei den bislang größten Standard-Stiftkühlkörpern von Alutronic finden auf einer Fläche von 120 x 200 mm 1215 Stifte mit einem Durchmesser von 3,2 mm und einer Stifthöhe von 30 mm Platz. Die Bodenstärke beträgt in dieser Dimension 10 mm. Zur Veranschaulichung: Das sind neun Stifte auf 12 x 12 mm, wobei der Abstand zwischen den Stiften 1,2 mm beträgt. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Temperatur der Sperrschicht von 80 °C, was einer Differenz Δ K von 55 K entspricht, wäre ein solcher Stiftkühlkörper bei natürlicher Konvektion für maximal 60 W Abwärme oder 0,91 K/W geeignet. Der Vorteil gegenüber stranggepressten Kühlkörpern ist in diesem Fall die schnelle Wärmespreizung an der Kontaktfläche. Einen herausragenden Vorteil haben die Stiftkühlkörper allerdings in Verbindung mit forcierter Konvektion.

Ist die Verlustleistung hoch und der Bauraum begrenzt, sind Stiftkühlkörper eine Alternative. Nicht nur in den Abmaßen und im Gewicht schneiden sie besser ab als Strangpressprofile, auch wirtschaftlich haben sie oft entscheidende Vorteile.Alutronic Kühlkörper

Dafür kommen zwei Varianten in Frage: Die Belüftung quer zu den Stiften und die Belüftung mittels einer Lüftung von oben, also mit der Stiftrichtung. Simulationen über die Alutronic Stiftkühlkörper haben ergeben, dass die abführbare thermische Energie bei in Stiftrichtung montiertem Lüfter im Vergleich zu natürlicher Konvektion das Fünf- bis Neunfache beträgt.

Wenn die Belüftung quer erfolgt, verbessert sich die Wärmeleitung im Vergleich zur Belüftung in Stiftrichtung noch um weitere 20 bis 40 Prozent. Bei einem Luftdurchsatz von 2 m/s quer zur Stiftrichtung lassen sich bei dem größten Standardmodell mit 1215 Pins 550 W abführen. Das entspricht bei einem Delta von 55 K einem R_th-K-Wert von 0,1 K/W. Das Gewicht des Kühlkörpers liegt in diesem Fall bei 1,6 kg. Ein Entwärmungmodell auf Basis eines stranggepressten Profils wäre mehr als fünfmal so groß und unter 15 kg Kühlkörpergewicht kaum machbar. Mit den Powerbloc-Bausteinen lässt sich also erheblich Platz und Gewicht sparen.

Ein Entwärmungmodell mit stranggepresstem Profil ist von den Abmessungen größer als die Umsetzung mit Stiftkühlkörpern.Alutronic Kühlkörper

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Lüftung von oben zwar weniger effizient ist als von der Seite, aber mechanisch einfacher, da nicht erst ein Windkanal geschaffen werden muss. Bei größeren Abmessungen, die von der Seite belüftet werden sollen, ermöglicht ein Trichter für die Luft eine turbulentere Durchströmung und damit eine bessere Wärmeübergabe. Hierbei gilt es allerdings zu beachten, dass der Lüfter einen relativ hohen Druck aufbauen muss, um den Luftdurchsatz zu gewährleisten, der nötig ist, um die thermische Energie durch den relativ geringen Querschnitt abzutragen.

Sonderbehandlungen und Zubehör

Zusätzlich zum Standardlieferprogramm gibt es die Option einer mechanischen Fräs- und Bohrbearbeitung, eine Anpassung der Bodenstärke sowie der Stiftzahl. Die Oberfläche läßt sich in Aluminium blank ausgeführen, sie kann naturfarben, schwarz oder dekorativ in Blau eloxiert, chromatiert, verzinnt oder vernickelt sein. Die Eloxalbeschichtung schützt die Oberfläche der Bauteile. Sie verbessert zusätzlich die Wärmeabstrahlung und bewirkt eine elektrische Isolierung.

Als Zubehör sind vormontierte oder beigestellte Lüfter, Isolierung und Wärmeleitung mit anwendungsspezifischen Zeichnungsteilen in den gewünschten Formen und Abmessungen sowie detaillierte Leistungsdaten erhältlich. Zur Befestigung montiert man bei Versionen die kleiner als 50 x 50 mm Größe aufweisen optional ein- und beidseitig wärmeleitende Silikon-Klebefolie, welche der Kunde ebenfalls zur eigenen Konfektion bekommen kann. Alternativ läßt sich der Kühlkörper auch standardmäßig an das Bauteil klammern. Darüber hinaus sind für Versionen die mehr als 50 x 50 mm messen auch Durchgangsbohrungen zur Schraubmontage oder Clipnuten erhältlich.

Beratung schafft Qualitätslösungen

Neben der Beratung zum Design, zur optimalen Oberflächenbeschichtung und der unkomplizierten Montagemöglichkeit kann Alutronic auch thermografische Computersimulationen realisieren, um kundenspezifische Stiftkühlkörper in kurzer Zeit umzusetzen. Technisch entscheidend sind dabei die Maximalwerte für Verlustleistung, Sperrschicht- und Außentemperatur, mechanische Vorgaben hinsichtlich Maximalmaßen, Bauteilorientierung und Befestigung.

Darüber hinaus muss bekannt sein, welche Stückzahlen geplant sind, um festzustellen, ob es sich beispielsweise lohnt, in ein Sonderwerkzeug zu investieren. Den größten Teil der 50 Standard-Powerblocs hat Alutronic zur Bemusterung auf Lager, so dass diese kurzfristig zur Verfügung stehen. Serien sind je nach Bearbeitungsart in kurzer Zeit lieferbar. Bei den gängigen Dimensionen fallen keine Werkzeugkosten an und bei kundenspezifischen Abmaßen liegen diese sowie die Mindestbestellmengen in den meisten Fällen unter denen von Strangpressprofilen und weit unter denen von Gussteilen.

(rao)