Fischer Elektronik Kühlende Lamellen

Die thermische Belastung beeinflusst maßgeblich, wie lange und zuverlässig Halbleiter ihren Dienst verrichten. Kontinuierlich steigende Integrations- und Leistungsdichten erschweren jedoch das thermische Management. Lamellenkühlkörper haben gegenüber ihren stranggepressten Vettern einige Vorteile.

von Jürgen Harpain, Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik.

Steigende Integrations- und Leistungsdichte führen zwangsläufig zu höherer Verlustleistungsdichte. In Konsequenz steigen die Bauteiltemperaturen. Als Aussage über die Lebensdauer elektronischer Bauteile in Zusammenhang mit deren Temperatur lässt sich folgender Merksatz festhalten: Für je 10 K Temperaturerhöhung halbiert sich die anzunehmende Lebensdauer. Ein wirkungsvolles thermisches Management ist für den Anwender somit unabdingbar.

Der Kühlkörper als das bekannteste und meistbenutzte Element zur Elektronikkühlung, ist ein mechanisches Teil, das wärmeleitend mit der zu kühlenden elektronischen Komponente verbunden ist. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik fließt die Wärme immer nur in Richtung geringerer Temperatur, also vom wärmeren zum kälteren Körper. Die Wärmesenke nimmt somit die thermische Energie des zu kühlenden Bauteils (Wärmequelle) auf und leitet diese über das Prinzip der Oberflächenvergrößerung an die Umgebungsluft ab.

Als Basisdefinition kann der Kühlkörper als eine berippte Fläche verstanden werden. Der Wärmeübergang von festen Köpern zu einem umgebenden Fluid ist umso besser, je größer die wärmeübertragende Oberfläche ist. Aus diesem Grund wird stets versucht, beim Kühlkörperdesign eine große Wärmetauschfläche zu erzielen, wobei allerdings einige physikalische Gegebenheiten limitierend wirken. Je nach der Geome¬trie und den Temperaturfeldern, können sich einzelne Rippen und Flächen auch gegenseitig negativ beeinflussen. Des Weiteren sind das Auftriebsverhalten (Kaminwirkung) und Grenzschichtbetrachtungen beim richtigen Kühlkörperdesign mit einzubeziehen.

Ein weiterer limitierender Faktor ist das Herstellungsverfahren. Die klassischen Strangkühlkörper aus Aluminium werden im direkten Extrusionsverfahren hergestellt, d. h. beim Umformen wird das erwärmte Aluminiummaterial durch eine Matrize gepresst, in welche die Kühlkörpergeometrie im Negativ eingebracht ist. Die verwendeten Knetlegierungen enthalten überwiegend Aluminium, Magnesium und Silizium und werden in Europa als EN-AW-Legierung bezeichnet (EN = Europäische Norm, AW = Aluminium Wrought). Um verschiedene Kühlkörpergeometrien mit einer möglichst großen Oberfläche zu erzeugen, bedarf es in der Strangpresstechnik eines Profilquerschnitts mit extremem Zungenverhältnis. Dieses Verhältnis nennt den Zusammenhang zwischen Nuttiefe und -breite (Rippenhöhe zu -abstand). Je nach Presswerk und Strangpressgröße sind gegenwärtig Zungenverhältnisse von 4:1 bis 16:1 gegeben.

In der Werkzeugmatrize ist der Kühlkörper als negativ zu sehen, d. h. im Werkzeug bleibt ein schmaler Steg, der den Rippenabstand zwischen zwei Rippen widerspiegelt. Je nach Presskraft der Strangpresse wirken nun je Quadratmillimeter einige hundert Newton auf diesen Steg. Die hohe Presskraft führt letztendlich dazu, dass dieser Steg durch das eingepresste Aluminiummaterial in Schwingung versetzt wird und im schlimmsten Fall brechen kann (Werkzeugbruch).

Aufgrund dessen und auch wegen wirtschaftlicher Aspekte wird beim Kühlkörperdesign stets auf die technische Machbarkeit und die Langlebigkeit der Strangpresswerkzeuge geachtet, sodass die Bodenstärke, die Rippenhöhe und -stärke sowie der Rippenabstand immer in einem gesunden Verhältnis stehen müssen.