Kühlkörper

Effektiv entwärmen

16. Januar 2023, 11:00 Uhr | Jürgen Harpain, Fischer Elektronik
Besonders Leistungselektronik muss effektiv entwärmt werden, um zu jeder Zeit die Leistungsfähigkeit der Bauteile auch langfristig zu sichern, dass sie ihre spezifizierte Lebensdauer erreichen. Kühlkörper sind oft Teil des Wärmemanagements
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Besonders Leistungselektronik muss effektiv entwärmt werden, um zu jeder Zeit die Leistungsfähigkeit der Bauteile auch langfristig zu sichern beziehungsweise sicherzustellen, dass sie ihre spezifizierte Lebensdauer erreichen. Kühlkörper sind oft Teil des wirkungsvollen Wärmemanagements.

Unter dem Begriff Leistungselektronik ordnet man alles zu, was mit der Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie zu tun hat. Spannungen und Ströme von einigen Milliampere und wenigen Volt, bis hin zu einigen Kiloampere und -volt, sind dort vorzufinden. Bei jeder dieser Anwendungen steht letztendlich immer der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte des Systems im Mittelpunkt. Besonders die hohen Leistungsdichten heutiger Leistungshalbleiter stellen die Anwender oftmals vor komplexe wärmetechnische Aufgaben.

Da der Wirkungsgrad unter hundert Prozent liegt, werden die entstehenden Verluste in Wärme umgewandelt. Diese schadet auf Dauer dem Bauteil und beeinflusst dessen Lebensdauer signifikant. Effiziente Entwärmungskonzepte sollen die Lebensdauer verlängern und den Temperaturstress begrenzen, um Fehlfunktionen des Bauteils oder gar eine Zerstören der kompletten Funktionsbaugruppe auszuschließen. Bei Fischer Elektronik stehen dem Anwender sowohl aktive, passive oder flüssigkeitsgekühlte Lösungen für das Wärmemanagement zur Verfügung.

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Vielfältige Entwärmungsmöglichkeiten

Aufgrund des hohen Wärmeaufkommens können Entwärmungsaufgaben in der Leistungselektronik mitunter recht komplex ausfallen. Einfache Strangkühlkörper genügen oft nicht mehr, wodurch Kunden vielfach spezielle Hochleistungskühlkörper einsetzen. Diese großvolumigen Kühlkörperlösungen lassen sich auf unterschiedliche Arten herstellen und entsprechen den leistungsstärksten Ausführungen zur passiven Bauteilentwärmung von Leistungshalbleitern.

Strömungsoptimierte Hohlrippengeometrie, doppelseitige exakt plan gefräste Montageplatten und abgestimmte Vorkammersysteme liefern einen echten Mehrwert für den Kunden
Bild 1. Strömungsoptimierte Hohlrippengeometrie, doppelseitige exakt plan gefräste Montageplatten und abgestimmte Vorkammersysteme liefern einen echten Mehrwert für den Kunden
© Fischer Elektronik

Weiter steigern lässt sich die abzuführende Verlustleistung mit der forcierten Entwärmung mittels Lüfteraggregat (Bild 1). Diese funktionieren nach dem Wirkprinzip der erzwungenen Konvektion, d. h. die durch zusätzliche Lüftermotoren erzeugte starke Luftströmung wird durch eine innen liegende, umschlossene Wärmetauschstruktur geleitet. Dieser sogenannte Rippenkanal ist optimal auf die verwendeten Lüftermotoren und deren Leistungsdaten (Strömungsgeschwindigkeit, Luftvolumen) abgestimmt. Im Bereich der Leistungselektronik liefern Lüfteraggregate mit ihren unterschiedlichen Aufbauten effiziente Lösungsmöglichkeiten der Bauteilentwärmung und sind bereits für viele Applikationen als eine erprobte und kostengünstige Technik anzusehen.

Als dritte Alternative sind Flüssigkeitskühlkörper als leistungsstärkste Form der Entwärmung deutlich hervorzuheben. Alleine die Kühlwirkung des Wassers ist in Verbindung mit effizienten Flüssigkeitskühlkörpern physikalisch als auch wärmetechnisch sehr leistungsfähig. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit 4,182 kJ/(kg·K) als Kühlmedium ist gegenüber der Luft viermal größer.

Die Flüssigkeitskühlkörper von Fischer Elektronik gibt es als I- oder U-durchströmte Variante. Die komplett aus Aluminium gefertigten Kühlkörper besitzen eine interne dreidimensionale und zueinander versetzte Lamellenstruktur als Wärmetauschfläche. Die Wärmetauschfläche ist jeweils thermisch optimal an den jeweiligen Flüssigkeitskühlkörpertyp angepasst und wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden. Dadurch ergibt sich ein sehr guter Wärmeübergang von dem zu kühlenden Bauteil an die durchströmende Flüssigkeit.

Individuelle Kühlkörperlösungen

Aufgrund ihres Herstellungsverfahrens besitzen die besprochenen Hochleistungskühlkörper ähnlich wie auch klassische Strangpressprofile einige Restriktionen in der Gestaltungsform. Hierbei ist im Besonderen das zu erreichende Rippenverhältnis zu nennen. Strangkühlkörper mit einem engen Zungenverhältnis erschweren die Werkzeugherstellung und verursachen in der Produktion der Kühlkörper erhebliche Probleme.

Allerdings ist der Wärmeübergang von festen Körpern zu einem umgebenden Fluid umso besser, je größer die wärmeübertragende Oberfläche ist. Aus diesem Grund wird beim Design von Kühlkörpern stets versucht, eine maximale große Wärmetauschfläche zu erzielen. Sogenannte Lamellenkühlkörper für die erzwungene Konvektion lassen sich individuell nach kundenspezifischen Vorgaben herstellen und bieten für die Entwärmung von Leistungshalbleitern effektive Lösungsansätze.

Bei Lamellenkühlkörpern, auch als Bonded-Fin-Kühlkörper bezeichnet, kann die Rippenstruktur engmaschig sein, weswegen sie sich besonders für die aktive Entwärmung mit Hilfe von zusätzlichen Lüftermotoren oder Luftströmungen eignen. Lamellenkühlkörper lassen sich mit einem Zungenverhältnis von bis zu 40:1 herstellen und individuell auf die kundenspezifischen Erfordernisse adaptieren. Die Basisplatten (Bodenseite) der Lamellenkühlkörper bestehen aus genuteten Strangpressprofilen oder einem gut wärmeleitenden Aluminiummaterial. Mittels eines speziellen Herstellungsverfahrens werden die jeweiligen Aluminiumlamellen (Rippen) in die Nuten eingepresst und zusätzlich mit einem speziellen Wärmeleitkleber aufgefüllt, um Lufteinschlüsse zu vermeiden. Somit sind die Kühlrippen wärmetechnisch optimal an die Basisplatte angebunden. Durch die Freiheitsgrade bei der Kühlkörpergestaltung sind auch Ausführungen mit einer einseitigen oder doppelseitigen Halbleitermontagefläche möglich.

Mithilfe von individuellen anpassbaren Lamellenkühlkörper lassen sich besonders für die forcierte Entwärmung sehr hohe Rippenverhältnisse generieren
Bild 2. Mithilfe von individuellen anpassbaren Lamellenkühlkörper lassen sich besonders für die forcierte Entwärmung sehr hohe Rippenverhältnisse generieren
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Darüber hinaus lassen sich die Lamellenkühlkörper der Serie KTE und KTED (Bild 2) für spezielle Anwendungen aus Kupfer oder aus Aluminium und Kupfer gemischt herstellen. Eine Basisplatte aus Kupfer verteilt hierbei aufgrund der wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit die Abwärme (Heat Spreader) und liefert für etliche Anwendungen einen echten Mehrwert. Unterschiedliche Rippenhöhen oder einzelne Lamellen mit Befestigungsmöglichkeiten zur Lüftermontage, plangefräste Oberflächen sowie mechanische Bearbeitungen kann Fischer Elektronik nach kundenspezifischen Vorgaben ausführen.

Speziell entwickelte Herstellungsverfahren ermöglichen engmaschige Kühlkörperformen und -abmessungen ohne jeglichen Einsatz von Zusatzstoffen
Bild 3. Speziell entwickelte Herstellungsverfahren ermöglichen engmaschige Kühlkörperformen und -abmessungen ohne jeglichen Einsatz von Zusatzstoffen.
© Fischer Elektronik

Durch eine andere Fertigungsart lassen sich ebenfalls engmaschige und individuelle Kühlkörperprofile fertigen. Lamellenkühlkörper der Serie KGR (Bild 3) werden aus einem hochwärmeleitenden Aluminiumvollmaterial hergestellt und bestehen aus einem Stück. Hierdurch sinkt der thermische Übergangswiderstand von der Basisplatte in die einzelnen Rippen nochmals deutlich, da beide Teile aus dem gleichen Grundmaterial gefertigt und direkt miteinander verbunden sind. Für gewisse Applikationen unter Belastungen oder Vibrationen, wie z. B. in der Industrie- oder Bahntechnik, sind diese Lamellenkühlkörper sinnvoll einzusetzen.

Des Weiteren lassen sich diese Lamellenkühlkörper sehr gut oberflächenbeschichten, da kein zusätzlicher Wärmeleitkleber als Barriere wirkt. Neben vielzähligen Standardvarianten lassen sich die Lamellenkühlkörper aus Vollmaterial ebenfalls auf kundenspezifische Bedürfnisse und Einbaubedingungen variabel anpassen

Passgenaue Skiving-Kühlkörper

Absolut neu bei Fischer Elektronik sind die ebenfalls individuell an die Kundenbedürfnisse anpassbaren Skiving-Kühlkörper. Mit diesem Verfahren lassen sich ebenfalls sehr kompakte Kühlkörper für die forcierte Entwärmung im Bereich der Leistungselektronik fertigen. Der Begriff Skiving leitet sich aus dem Englischen ab und bedeutet übersetzt, etwas »abzuschälen«.

Skived-Kühlkörper der Serie KSK liefern beste Performance bei aktiver Entwärmung und besitzen ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis
Bild 4. Skived-Kühlkörper der Serie KSK liefern beste Performance bei aktiver Entwärmung und besitzen ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis
© Fischer Elektronik

Bei dieser speziellen Fertigungstechnik werden die ein-zelnen Rippen aus einem Aluminium- oder Kupferblock herausgeschält (Bild 4), sodass durch extrem feine Rippen und eine sehr hohe Rippendichte die Wärmetauschfläche möglichst groß ausfällt. Die einzelnen Lamellen sind infolgedessen übergangslos mit der Kühlkörperbasis ohne zusätzliche thermische Übergangswiderstände verbunden. Auch aus wirtschaftlicher Betrachtungsweise sind Skiving-Kühlkörper sehr interessant und attraktiv, da mitunter Kleinserien aufgrund der geringen Werkzeugkosten günstig umzusetzen sind.

Standardmäßig bietet Fischer Elektronik zunächst die neuen Skived-Fin-Kühlkörper der Serie KSK in den Abmessungen 60 × 60 mm, 80 × 80 mm, 100 × 100 mm, 120 × 120 mm, 140 × 140 mm und 160 × 160 mm in jeweils zwei unterschiedlichen Höhenvarianten an. Darüber hinaus werden gleichfalls kundenspezifische Kühlkörperlösungen angeboten und produziert. Die Varianz reicht dabei von unterschiedlichen Kühlkörperbreiten und -längen, verschieden starken Halbleitermontageböden bis hin zur angepassten Rippenanzahl, -abstand und -dicke. In Summe eignen sich Skived-Kühlkörper hervorragend zur Entwärmung von thermoelektrischen und ähnlichen Leistungsmodulen, ermöglichen zusätzlich eine große Designflexibilität und ein schnelles Prototyping.

 

Der Autor

 

Jürgen Harpain von Fischer Elektronik
Jürgen Harpain von Fischer Elektronik
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Jürgen Harpain
 
ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik.

 

 


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