Kühlung extrem
Keramikkühlkörper für LED-Arrays
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Extrudierte Alunitkeramik ist mechanisch stabil und durchschlagfest zugleich
Zentrale Bedeutung für eine effiziente Entwärmung kommt dem keramischen Kühlkörper zu, denn das Erreichen der geforderten Temperaturen ist nur mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials und dessen direkter Metallisierung möglich.
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Die Alunitkeramik ermöglicht einerseits die effiziente Wärmekopplung an das Kühlmedium und stellt andererseits eine gute Wärmespreizung sicher; letzteres verringert Temperaturunterschiede innerhalb des Moduls (Bild 1). Darüber hinaus gelang es CeramTec im Rahmen des Forschungsprojekts, die besonders wärmeleitfähige AlN-Keramik serienmäßig zu extrudieren. Das zu diesem Zeitpunkt weltweit einzigartige Verfahren ermöglicht stabförmige Körper und Rohrsysteme aus Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher mechanischer Stabilität und Durchschlagsfestigkeit.
Die mehrteilige CeramCool-Box wird im Trockenpressverfahren hergestellt und monilithisch versintert. Die Formgebung der verschiedene Prototypgeometrien wird im Grünstadium durch CNC-Bearbeitung erzielt, da sich mit diesem Verfahren Testmodule kostengüngstig und zugleich schnell realisieren lassen.
Kommt trotz der hohen Abwärme ausschließlich passive Kühlung über Luftkonvektion in Frage, so ist damit zu rechnen, dass sich die verwendeten LEDs auf weit mehr als 100 °C und punktuell sehr unterschiedlich erhitzen. Will man dies vermeiden, kann man die CeramCool-Box auch an eine aktive Wasserkühlung anschließen. Es reicht hier für die Abführung der Wärmeleistung sogar ein konventioneller Chiller aus dem PC-Bereich.
Die Entwickler der Box haben die Zahl der Kühlwasseranschlüsse auf jeweils einen Ein- und Auslass beschränkt, um das Modul möglichst einfach handhaben zu können. Da hier Keramik zum Einsatz kommt, haben Systementwickler zudem freie Wahl beim Kühlmittel und dürfen den Kühlkörper auch in aggressiver Umgebung platzieren.
Die besondere Innovation der Ceram-Cool-Box liegt im Inneren des Keramikkörpers: Hier sorgen vier symmetrisch angeordnete Spiralkühler mit ausgeklügelten Fließpfaden für gleichmäßige Kühlung bis hin zu den Außenbereichen (Bild 2).
Die Keramikwände sind im Inneren lediglich einen Millimeter „dick“. Damit wird das Kühlmedium so nah an die Hitzequelle gebracht wie bei keinem anderen Konzept mit vergleichbar hoher Systemlebensdauer. Als Werkstoff wird AlN-Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≥170 W/mK bei Raumtemperatur eingesetzt; in Kombination mit der beschriebenen Sintertechnologie wird ein ausgezeichneter Wärmetransport von der Wärmequelle zum Kühlmedium gewährleistet.
Die effiziente und homogene Temperaturverteilung konnte in der thermischen Charakterisierung mittels IR-Thermographie und elektrischer Messung der Junction-Temperatur nachgewiesen werden. Die Messungen ergaben, dass die Temperatur dank eines ausgeklügelten Innenlebens des Kühlkörpers bei einem Kühlmitteldurchfluss von 180 l/h und einer Umgebungs- und Kühlwassertemperatur von 30 °C auf lediglich 90 °C ansteigt. Da eine Bestimmung der Junction-Temperatur über den Wellenlängen-Shift im UV nicht präzise genug ist, wurde eigens ein Messaufbau entwickelt, der die Temperatur über die Vorwärtsspannung mit einer Genauigkeit besser als 1 K bestimmt. Auch hier zeigte sich, dass die simulierten Ergebnisse durch die späteren Messungen bestätigt werden konnten.
Die Autoren:
| Rüdiger Herrmann |
|---|
| ist Maschinenbautechniker und spezialisiert auf technische Keramik im Fachbereich Elektronik der CeramTec GmbH. Hier konzentriert er sich auf anwendungsspezifische Lösungen und ist auch für das Marketing von Ceram- Cool, also metallisierter keramischer Kühlkörper, verantwortlich. |
R.Herrmann@ceramtec.de
|
Dr. Rafael Jordan |
|---|
| hat seine Dissertation über die Bestimmung energetischer Niveaus in der Photosynthese im Jahr 2001 abgeschlossen. Seitdem arbeitet er für das Fraunhofer IZM in Berlin als Wissenschaftlicher Mitarbeiter. Neben dem Packaging von Pixelsensoren mit höchster Präzision beschäftigt er sich mit der AVT optoelektronischer Komponenten. Die Entwicklung von High-Power-LED-Modulen ist d |
Rafael.Jordan@izm.fraunhofer.de
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