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Wärmemanagement / Fischer Elektronik

Kühlkörper sind die Lebensversicherung fürs System

11. Januar 2021, 08:00 Uhr   |  Jürgen Harpain, Fischer Elektronik

Kühlkörper sind die Lebensversicherung  fürs System
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Temperaturbedingte Ausfälle sind neben Vibrationen und Feuchtigkeit einer der häufigsten Gründe für den Ausfall von Elektronik. Daher ist ein effizientes thermisches Wärmemanagement beispielsweise mit Extrusionskühlkörpern wie eine Lebensversicherung für das elektronische System.

Bei der Entwicklung eines Elektronikdesigns ist es absolut notwendig, eine effiziente und auf die Applikation angepasste Entwärmung einzuplanen. Wie die Erfahrung zeigt, wird dies leider vielfach vernachlässigt. Je nach Art und Weise des benötigten Konzeptes der Entwärmung beeinflusst dies den benötigten Platz bzw. das Volumen des zur Verfügung stehenden Einbauraums sowie das Gewicht der gesamten Funktionseinheit unmittelbar. Überschlagsmäßige thermische Berechnungen helfen dabei thermische Belange im Vorfeld zu ermitteln. Hierdurch ist es dem Anwender möglich, das Kühlsystem in etwa vorzubestimmen gleichzeitig die Baugröße dessen mit einzuplanen.

Allgemein bekannt und durch Literaturangaben sowie Praxisversuche oftmals bestätigt, hängen Temperaturstress und Lebensdauer eines elektronischen Bauteils direkt voneinander ab. Ein stromdurchflossener Halbleiter erzeugt Abwärme, die sogenannte Verlustwärme, die durch den elektrischen Widerstand durch Zusammenstöße der Elektronen und Atome beim Schalten binärer Zustände entsteht. Folglich verursachen frequenzbedingte Ladungsverschiebungen einen erhöhten Energiebedarf, und je häufiger geschaltet wird, desto mehr Wärme entsteht.

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Bild 1: Extrusionskühlkörper in unterschiedlichen Ausführungen liefern effiziente Entwärmungslösungen für die freie Konvektion.

Ein mangelnder Temperaturhaushalt der elektronischen Komponenten, wenn also die im Datenblatt des Herstellers genannte maximale Bauteiltemperatur dauerhaft überschritten wird, führt unweigerlich zu Fehlfunktionen oder gar zur Zerstörung des Bauteils bzw. der gesamten Funktionsbaugruppe. Passende Lösungsansätze zur Entwärmung einzelner elektronischer Bauteile oder Systeme liefern sogenannte Strangkühlkörper, auch Extrusionskühlkörper genannt (Bild 1).

Herstellung von Strangkühlkörpern

Kühlkörper aus Aluminium, physikalisch als Wärmesenke bezeichnet, werden in der Literatur als mechanisches Teil bestehend aus einem wärmeleitfähigen Material beschrieben, das wärmeleitend mit einem elektronischen Bauteil kontaktiert wird. Gemäß dem Wirkprinzip der natürlichen Konvektion, nimmt der Kühlkörper als Oberflächenvergrößerung die entstehende Verlustwärme vom Bauteil auf und leitet diese über die jeweilige Rippenstruktur an die Umgebung ab. Als allgemeingültige Basisdefinition lässt sich ein Kühlkörper als eine Fläche mit einer Rippenstruktur zur Oberflächenvergrößerung gemäß dem Patent zur Erfindung der Kühlrippe von Franz Pichler aus dem Jahr 1892 verstehen.

Der Wärmeübergang von einem festen Körper zur umgebenden Luft ist umso besser, je größer die wärmeübertragende Oberfläche des abstrahlenden Körpers ist. Die Entwärmung bei freier Konvektion, z. B. durch einen Strangkühlkörper, erfolgt durch von Temperaturunterschieden hervorgerufene Dichteunterschiede der umgebenden Luft. Als konvektiver Wärmeaustausch entsteht ein Auftrieb, da erwärmte Luft spezifisch leichter ist und kühlere Luft nachströmen kann, sodass sich die Luft kontinuierlich umwälzt.

Zur Vergrößerung der genannten Wärmetauschfläche wird bei einem Kühlkörperdesign stets versucht, die Oberflächenstruktur möglichst groß zu gestalten. Gemäß physikalischer Gesetze ist es allerdings nicht möglich diese unendlich auszuschöpfen, da sich gewisse Faktoren, wie z. B. die Überlagerung von Grenzschichten, negativ auf die thermische Leistungsfähigkeit eines Kühlkörpers auswirken.

Strangkühlkörper bestehen hauptsächlich aus speziellen Aluminiumlegierungen, die besonders auf die Herstellungsweise abgestimmt sind. Neben der thermischen Performance zeichnen sie sich durch ein gutes Verhältnis zwischen Preis, Leistung, Volumen und Gewicht aus. Die beim Strangpressen zum Einsatz kommenden Aluminiumlegierungen bestehen überwiegend aus Aluminium, Magnesium sowie Silizium und werden in Europa als EN-AW-Legierung bezeichnet. Hierbei steht die Abkürzung EN AW für Europäische Norm und Aluminum Wrought, übersetzt Knetlegierung.

Im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörperprofile für die Entwärmung elektronischer Bauteile im industriellen Bereich bestehen vorrangig aus der Aluminiumlegierung EN AW 6060 oder EN AW 6063. Sonderlegierungen mit abweichenden Bestandteilen oder Festigkeitswerten können unter gewissen Voraussetzungen als Pressbolzen hergestellt werden, bedürfen allerdings einer genauen Prüfung und sind stark tonnageabhängig.

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Bild 2: Um zusätzliche Verformungen beim Strangpressen zu vermeiden, werden die hergestellten Profile direkt am Pressenmund gekühlt.

Klassische Strangkühlkörper werden im Extrusionsverfahren hergestellt, beim Umformen wird also ein erwärmter Pressbolzen der Knetlegierung (ca. +480 °C) durch eine Matrize mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ gepresst (Bild 2). Kühlkörper sind oftmals in elektronischen Geräten verbaut und müssen stets in Zusammenhang mit anderen Bauteilen betrachtet werden, da diese aufgrund ihrer Herstellungsweise internationalen Normen obliegen. Die geltenden DIN-Normen beschreiben für jede Abmessung und Kontur ein zulässiges Toleranzfeld, das je nach Größe des Kühlkörperprofils einige wenige zehntel bis zu etlichen Millimetern betragen kann.

Neben der gewünschten Kühlkörperbreite und Rippenhöhe, den einzelnen Rippendicken sowie -abständen zueinander sind gleichfalls als wichtiges Merkmal die Winkelabweichung (Neigung), Verwindung und Planparallelität, die Wanddickentoleranz und Wölbung (konvex/konkav) der Bodenfläche des Kühlkörpers zu berücksichtigen. Strangpressprofile die durch einen umschreibenden Kreis von 350 mm passen, werden als Präzisionsprofil bezeichnet, die möglichen Toleranzfelder sind in der DIN EN 12020 aufgeführt. Extrusionsprofile mit einem größeren umschreibenden Kreis obliegen der DIN EN 755.

Die Umsetzung von Strangpressprofilen mit kleineren bzw. von der DIN-Norm abweichenden Toleranzfeldern, ist grundsätzlich in Absprache mit dem Hersteller denkbar, macht die Kühlkörper allerdings z. B. aufgrund einer geringeren Pressgeschwindigkeit und dadurch einem geringeren Durchsatz pro Zeiteinheit häufig deutlich teurer.

Thermische Auslegung und Bearbeitung

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Bild 3: Kleinste Kühlkörperprofile werden vielfach eingesetzt, um SMD-Bauteile auf der Leiterplatte zu entwärmen – auch als lötfähige Ausführungen.

Die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Strangkühlkörper, ob groß oder klein (Bild 3), zeichnen Kühlkörper als ein effizientes und attraktives Entwärmungskonzept aus. Um den für die eigene Applikation passenden Kühlkörper auszuwählen, muss der Anwender die thermischen Parameter und mechanischen Anforderungen berücksichtigen, um eine langfristige sowie sichere Funktion von Modulen, Geräten oder Anlagen zu gewährleisten.

Die thermische Auslegung eines für die Applikation geeigneten Strangkühlkörpers erfolgt oftmals anhand der Berechnung des thermischen Widerstandes. Der sogenannte Wärmewiderstand wird aus dem Verhältnis zwischen der Temperatur und der abzuführenden Verlustleistung in der Einheit Kelvin pro Watt [K/W] angegeben. Der Wärmewiderstand ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit, d. h. je kleiner dessen Wert, desto besser leitet ein Kühlkörper die aufgenommene Wärme an die Umgebung ab. Dividiert man die Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Umgebung durch die maximal abzuführende Verlustleistung, erhält man den benötigten thermischen Widerstand.

Mit diesem Ergebnis kann der Anwender – unter Berücksichtigung der weiteren Randbedingungen – den Kühlkörper anhand der in den Katalogen der Kühlkörperhersteller gemachten numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen auswählen. Gleichfalls erhält der Anwender eine Aussage über die benötigte Kühlkörpergröße und ob die Entwärmungsaufgabe überhaupt mittels einer passiven Lösung gelöst werden kann oder ob eine aktive oder gar eine flüssigkeitsgekühlte Entwärmungskomponente zum Einsatz kommen muss.

Sofern der Kunde keine speziellen Toleranzen bei der Kühlkörperbearbeitung benötigt bzw. fordert, erfolgt die Anpassung für z. B. Fräsungen, Bohrungen und Gewinde nach der Allgemeintoleranz DIN ISO 2768m. Zur sicheren Kontaktierung des Bauteils auf der Bodenseite des Kühlkörpers sowie planebener Montageflächen müssen Kühlkörperprofile aufgrund der bei der Herstellung auftretenden Toleranzen plangefräst werden.

Aufgrund der Größe des Kühlkörperbodens (Montagefläche) unterschiedlicher Kühlkörperprofile gestaltet sich das Planfräsen zur Herstellung einer ebenen Auflage oftmals als schwierig, da die Bearbeitungsfläche häufig größer ist als der verwendete Fräsdurchmesser. Hierdurch muss der Kühlkörper in mehreren parallelen Bahnen plangefräst werden. Dieses verursacht sogenannte Fräsabsatzkanten, die je nach Genauigkeit der Fräsmaschine und Verformung des Kühlkörpers im Bereich von tausendstel bis hundertstel Millimeter liegen und somit die Funktion des Wärmeüberganges oder die Montage beeinträchtigen können.

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Bild 4: Zu einer fachgerechten Bearbeitung und planebenen Halbleiter-Montageflächen gehören eine innovative Maschinen- und Werkzeugtechnik.

Für Halbleiter-Montageflächen, bei denen die Fräsbahnen nicht vorhanden sein sollen beziehungsweise dürfen, empfiehlt es sich, die Bearbeitungszeichnung dementsprechend zu spezifizieren bzw. die Fläche der Bauteilposition besonders anzugeben. Zur Erzeugung einer planebenen Halbleitermontagefläche ohne Fräsbahnen ist ebenfalls eine innovative Maschinen- und Werkzeugtechnik gefragt. Messerköpfe bzw. Fräser mit einem großen Durchmesser für das Planfräsen von sehr breiten Hochleistungskühlkörpern sind nicht von der Stange erhältlich, sondern speziell für eine geeignete CNC-Maschine entwickelt und hergestellt worden (Bild 4).

Somit lässt sich die Planarität breiter Kühlkörperprofile mit nur einer Fräsbahn sicherstellen, wobei die Anzahl der einzelnen Schneiden und das Gewicht des Messerkopfes im Verhältnis zur Tragkraft der CNC-Spindel von entscheidender Bedeutung für das zu erzielende Ergebnis der Oberflächenbearbeitung sind.

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