Kühlkörper für Industrie-Anwendungen Applikationsspezifisch optimieren

Klassische Strangkühlkörper aus dem Basismaterial Aluminium finden zur effektiven Entwärmung von elektronischen Bauteilen ihre Anwendung. Neben den wärmetechnischen Parametern sollten im Vorfeld weitere funktionsgebende Eigenschaften begutachtet werden.

Eine der wichtigsten Aufgaben innerhalb eines Systemdesigns besteht darin, für ein effizientes thermisches Management zu sorgen, also zu gewährleisten, dass die im System verwendeten elektronischen Bauteile reibungslos funktionieren; und dies über viele Jahre hinweg. Die Verwendung von elektronischen Bauteilen außerhalb der im Herstellerdatenblatt spezifizierten Temperaturbereiche senkt in der Regel deren Lebensdauer radikal und führt unmittelbar zu Fehlfunktionen in der schaltungstechnischen Anwendung – im schlimmsten Fall zur Zerstörung des Bauteils.

Bei 10 K Temperaturerhöhung reduziert sich die anzunehmende Lebensdauer um ca. 50 Prozent – so der Leitsatz aus der Praxis. Um den Temperaturen in der Praxis entgegenzuwirken, greifen viele Entwickler hier auf eine bewährte Lösung zurück: auf die wohlbekannten Kühlkörper. Die zumeist als stranggepresste Kühlkörper verfügbaren Aluminiumbauteile (Bild 1) funktionieren gemäß dem physikalischen Wirkprinzip der freien natürlichen Konvektion. In der Applikation ist er möglichst gut mit dem zu entwärmenden Bauteil – oder auch mehreren – kontaktiert und nimmt die thermische Energie des Bauteils bzw. der Bauteile auf. Diese Wärmemengen leitet der Kühlkörper über seine optimal angepasste Oberfläche an die Umgebungsluft ab. Reicht die beschriebene natürliche Konvektion nicht aus, so kann mittels erzwungener Konvektion, also im Normalfall per Lüftermotor, nachgeholfen werden (Bild 2).

Der Einsatz in der Praxis

Was in der Theorie allgemein bekannt ist und auch einfach klingt, bringt in der Praxis einige Herausforderungen mit sich, die es zu berücksichtigen gilt. Leistungshalbleiter haben in den letzten Jahren neue Verlustleistungsgrößen erreicht, ohne dass ihre Abmessungen proportional dazu zugenommen hätten. Was dem Entwickler aufgrund der mechanischen Abmessungen der Bauteile in der Anwendung Platz spart, bereitet dem Schaltungstechniker Kopfzerbrechen, denn er steht vor der Herausforderung, pro Flächeneinheit deutlich mehr Verlustleistung abführen zu müssen.

Eine der Hauptschwierigkeiten neben der richtigen Auswahl eines für die Applikation passenden Kühlkörpers ist die Reduzierung der thermischen Übergangswiderstände zwischen dem zu entwärmenden Bauteil und dem Kühlkörper. Plane Bauteilmontageflächen sind für einen guten Wärmeeintrag in den Kühlkörper signifikant entscheidend und werden von den Herstellern der Bauelemente oftmals nachgefragt beziehungsweise gefordert. Eine optimale wärmetechnische Kontaktierung bzw. Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper wird allerdings aufgrund der fertigungsbedingten Toleranzen der einzelnen Kühlkörperprofile erheblich erschwert. Als Abhilfe liefern verschiedenartige Wärmeleitmaterialien, aber auch die mechanische CNC-Nacharbeit hierfür hervorragende Lösungsmöglichkeiten.

Strangkühlkörper, auch Extrusionskühlkörper genannt, werden im sogenannten Strangpressverfahren (Extrusionsverfahren) hergestellt. Hier wird zur Herstellung eine erwärmte Aluminiumknetlegierung durch eine Werkzeugmatrize gepresst. Je nach Größe und Beschaffenheit der Kühlkörpergeometrie weisen diese anschließend Toleranzen auf, insbesondere Höhen- und Breitentoleranzen; erschwerend kommen Durchbiegungen im Querschnitt (konvex/konkav) sowie eine Torsion in Längsrichtung noch hinzu. Die durch das Fertigungsverfahren hervorgerufenen Toleranzfelder obliegen internationalen Normen, in denen die Strangpressprofile je nach umschreibendem Kreis klassifiziert werden. Geometrien und deren Toleranzfelder mit einem umschreibenden Kreis ≤350 mm sind in DIN EN 12020-2 beschrieben, während Profile mit einem umschreibenden Kreis >350 mm in DIN EN 755 aufgeführt sind. Die dort genannten Toleranzfelder der stranggepressten Kühlkörper sind besonders bei der Verwendung in der Gesamtapplikation zu berücksichtigen und auf Tauglichkeit zu überprüfen, da Kühlkörper häufig im Gerät verbaute Komponenten darstellen, die oftmals in Zusammenhang mit anderen Bauteilen gesehen werden müssen.

Je größer der Kühlkörper von seinen Abmessungen her spezifiziert ist, desto mehr fallen auch kleinste Maßabweichungen ins Gewicht. Die vielfach von den Halbleiterherstellern geforderten Ebenheitswerte für die Halbleitermontageflächen auf dem Kühlkörper von einigen Hundertsteln Millimetern sind durch das Fertigungsverfahren des Strangpressens rein presstechnisch nicht zu erreichen. Dennoch ist diese Herstellungsmethode für Kühlkörper die erste Wahl, da sich diese mit sehr guten thermischen Eigenschaften in unterschiedlichen Abmessungen und Geometrien relativ einfach – also mit verhältnismäßig niedrigen Werkzeugkosten – herstellen lassen.

Für den Einsatz von Kühlkörpern in der Applikation gilt es grundsätzlich festzuhalten: Je nach Kühlkörpergeometrie und Materialanordnung können die Fertigungstoleranzen in puncto Durchbiegung der Montageflächen, aber auch hinsichtlich Breiten- und Höhentoleranz erheblich sein und bedürfen oftmals einer mechanischen Nacharbeit beziehungsweise einer applikationsspezifischen Anpassung.