Strangkühlkörper Gut gekühlte Elektronik lebt länger

Auch wenn die Wirkungsgrade elektronischer Komponenten stetig steigen, bleibt deren Entwärmung eine zentrale Herausforderung. Schuld sind steigende Verlustleistungsdichten und damit steigende Bauteiltemperaturen. Damit die Bauteile lange genug arbeiten, eignen sich beispielsweise Strangkühlkörper.

Kontinuierlich steigen die Integrations- und Leistungsdichten bei elektronischer Bauelementen. Besonders in der Halbleiterwelt ist dieser Trend gut zu beobachten. Da auf weniger Fläche die Verlustleistung zumindest gleich bleibt, oft aber eher steigt, steigt auch die Temperatur im Bauteil. Aus diesem Grund wird das thermische Management ein immer wichtigeres, häufig aber immer noch unterschätztes Designmerkmal. Denn für die Lebensdauer elektronischer Bauteile in Zusammenhang mit deren Temperatur gibt es folgende einfache Faustregel: Für jede 10 K Temperaturerhöhung halbiert sich die anzunehmende Lebensdauer, umgekehrt verdoppelt sich die Lebensdauer für jede 10 K Temperatursenkung.

Damit ein elektronisches Bauelement einwandfrei und vor allem langlebig funktioniert, ist ein effektives thermisches Management unabdingbar. Die verschiedenen Entwärmungsmöglichkeiten lassen sich in zwei übergeordnete Konzepte einteilen: die »leisen« und die »lauten«. Die »laute« Version besteht aus erzwungener Entwärmung, meist über Lüfter oder Kühlmittelpumpen. Die »leise« Version dagegen arbeitet mit natürlicher Wärmeableitung durch freie Konvektion und Strahlung, zum Beispiel durch passive Kühlkörper (Bild 1). Diese haben sich bewährt, um sowohl geringe als auch große Verlustleistungen abzuführen.

Der Kühlkörper als das bekannteste und meistbenutzte Element zur Elektronikkühlung, ist wärmeleitend mit der zu kühlenden Komponente verbunden. 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 auf und leitet diese über das Prinzip der Oberflächenvergrößerung an die Umgebungsluft ab. Neben der Beschränkung in Hinsicht Baugröße, Volumen und Gewicht hat dieses Prinzip auch physikalische Grenzen. Diese sind durch die spezifische Wärmeleitfähigkeit λ der für Kühlkörper verwendeten Materialien und seltener aufgrund der Kosten festgelegt.

Herstellung von Strangkühlkörpern

Die für Kühlkörper verwendeten Materialien sind hauptsächlich Aluminiumwerkstoffe, da diese das beste Verhältnis der Parameter Preis, Leistung, Gewicht und Volumen bieten und sich zudem einfach bearbeiten lassen. Die verwendeten Aluminiumlegierungen haben eine spezifische Wärmeleitfähigkeit λ von über 200 W/(m∙K) und sind in diversen Unterteilungen gebräuchlich. Beim Strangpressverfahren (Extrusion) wird das erwärmte Aluminiummaterial – auch Knetlegierung genannt – durch eine Matrize, in die die Kühlkörpergeometrie im Negativ eingebracht ist, gepresst und somit umgeformt (Bild 2). Mit diesem Prozess lassen sich Profiltypen relativ einfach realisieren, aber auch aufwendige Geometrien kostengünstig herstellen.

Solche Legierungen bestehen meist aus Aluminium, Magnesium und Silizium – in Europa als EN-AW-Legierung bezeichnet (EN = European Norm, AW = Aluminium Wrought). In der Elektronikkühlung werden als Strangkühlkörpermaterial am häufigsten die Legierungen EN AW 6060 und EN AW 6063 verwendet. Die Festigkeitsklasse T66 ist nach der DIN EN 755-2 mit einer Zugfestigkeit bei der Legierung 6060 mit etwa 195 MPa bis 215 MPa und bei der Legierung 6063 mit etwa 225 MPa bis 245 MPa spezifiziert. Sonderlegierungen und andere Festigkeitswerte können natürlich hergestellt werden, sind aber abzusprechen und stark tonnagenabhängig.

Bei der Gesamtkonzeption sind mechanische Kriterien und Toleranzen für die Strangpressprofile zu berücksichtigen, da das Herstellungsverfahren und auch die dadurch erreichbaren Toleranzbereiche internationaler Normen obliegen. Dabei ist ein Kühlkörper immer in Zusammenhang mit anderen Bauteilen zu sehen. Für Kühlkörperprofile mit einem umschreibenden Kreis von bis zu 350 mm gilt eine Presstoleranz nach DIN EN 12020, darüber die DIN EN 755.

Beim Strangpressen neigen die Profile in Querrichtung durchzubiegen sowie in Längsrichtung zu verdrehen (Torsion), was die thermische Kontaktierung beiehungsweise Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper erheblich erschwert. Um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten fordern Hersteller zum Beispiel für große IGBT-Module häufig Ebenheiten von unter 0,02 mm, was ohne mechanische Nacharbeit nach dem Strangpressen nicht machbar ist. Je nach Applikation und Einbaubedingungen, sind auch die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität zu berücksichtigen.

Besonders niedrige Toleranzanforderungen machen eine zusätzliche Bearbeitung nötig und erhöhen so den Aufwand. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit werden gut durch eine Bearbeitung mit einer CNC-Fräse erreicht. Die Summe aller Vorteile strangepresster Aluminiumprofile, wie zum Beispiel für große IGBT-Module die relativ geringen Stück- und Profilwerkzeugkosten, die einfache Prototypenherstellung, die gute thermische Leitfähigkeit des Grundmaterials, das relativ geringe Gewicht, der gute thermische Widerstand sowie die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Varianten, machen Kühlkörper zu einem effizienten und attraktiven Entwärmungskonzept.