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Hybridkühlkörper

Gemeinsam besser entwärmen

18. Juni 2021, 11:00 Uhr   |  Dr. Reeti Singh, Impact Innovations

Gemeinsam besser entwärmen
© Impact Innovation

Als Kühlkörpermaterial kommen entweder Kupfer oder Aluminium zum Einsatz. Jedes Material hat seine Vor- und Nachteile. Ein kaltgasgespritzer Hybridkühlkörper kombiniert die Vorteile beider Materialien.

Die gängigste Art, elektronische Geräte zu kühlen, ist die Luft- bzw. Flüssigkeitskühlung mit einem Kühlkörper, der meist aus Kupfer oder Aluminium besteht. Aufgrund seiner Kühlkapazität ist Kupfer gegenüber Aluminium die bevorzugte Wahl als Kühlkörpermaterial. Allerdings begrenzen dessen Gewicht und die Kosten den möglichen Einsatz, insbesondere bei großen elektronischen Systemen.

Aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit verteilen Kühlkörper aus Aluminium die Wärme jedoch nicht schnell genug. Daher ist eine große Oberfläche oder eine höhere Anzahl von Kühlrippen erforderlich, wobei dies in zahlreichen Fällen keine plausible Option darstellt. Darüber hinaus ist es problematisch, wenn ein Kühlkörper wesentlich größer als das zu kühlende IC-Gehäuse ist.

Erzeugt das elektronische Bauteil Wärme schneller, als der Kühlkörper wieder verteilen kann, tragen die Teile des Kühlkörpers, die weit vom Gerät entfernt sind, nicht maßgeblich zur Wärmeableitung bei. Mit anderen Worten: Verteilt die Basis des Kühlkörpers – also der Teil, der mit dem zu kühlenden Bauteil verbunden ist – die Wärme schlecht, wird ein Teil der Kühlfläche nicht genutzt. Um einen Aluminiumkühlkörper mit elek­tronischen Bauteilen zu verbinden, wird üblicherweise ein thermisches Grenzflächenmaterial verwendet. Typischerweise weist dieses Material jedoch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, was die Leistung des Aluminiumkühlkörpers weiter beeinträchtigt.

Ein Hybridkühlkörper, der die thermischen Vorteile von Kupfer mit leichtem, kostengünstigem Aluminium kombiniert, kann eine Alternative sein. Dabei besteht der Teil des Kühlkörpers, der mit dem elektronischen Gerät in Kontakt kommt, aus Kupfer und der andere Teil aus Aluminium.

Kaltgasspritzverfahren

Aluminium und Kupfer zu verbinden ist jedoch eine große Herausforderung. Meist werden die beiden Werkstoffe miteinander verlötet. Es gibt jedoch zahlreiche Herausforderungen im Zusammenhang mit diesem Verfahren wie beispielsweise eine mögliche Korrosion an den Grenzflächen, Löt­materialien mit unterschiedlichem Widerstand und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Das Kaltgasspritzverfahren (Cold Spray) ist eine neuartige Lösung zum Verbinden von Kupfer und Aluminium. Damit lassen sich zudem die Probleme während des Lötens der Werkstoffe lösen. Bei dieser Technologie wird ein Prozessgas, vorzugsweise Stickstoff oder Helium, mit bis zu 50 bar Druck einer Spritzpistole zugeführt und im Pistolengehäuse auf maximale Temperaturen von bis zu +1100 °C aufgeheizt. Die anschließende Expansion des erhitzten und hochgespannten Gases in einer konvergent-divergenten De-Laval-Düse auf Umgebungsdruck hat zur Folge, dass das Prozessgas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und im gleichen Moment auf Temperaturen von unter +100 °C abkühlt.

© Impact Innovations

So fuktioniert das Kaltgasspritz-Verfahren von Impact Innovations.

Mittels einer Pulverfördereinheit und einem gleichartigen Trägergas wird das Spritzpulver mit Partikeln in Mikrometergröße im konvergenten Bereich der Düse injiziert und im Hauptgasstrom auf Partikelgeschwindigkeiten von bis zu 1200 m/s beschleunigt. In dem stark fokussierten Spritzstrahl treffen die Partikel auf die in vielen Fällen unbehandelte Bauteiloberfläche auf, verformen zugleich das Substrat und sich selbst und bilden eine fest haftende, dichte und oxidarme Schicht.

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1. Gemeinsam besser entwärmen
2. Vorteile des Kaltgasspritzens

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