Wichtige Kriterien fürs Wärmemanagement
Strangkühlkörper bestmöglich einsetzen
Was ist beim Einsatz von Strangkühlkörpern zu beachten, um ein bestmögliches Wärmemanagement zu erzielen? Über die mechanischen Kriterien sowie die thermische Anbindung informiert Jürgen Harpain, Entwicklungsleiter von Fischer Elektronik.
Strangkühlkörper aus Aluminium, auch als Extrusionskühlkörper bezeichnet, bieten sehr gute Möglichkeiten, um elektronische Bauelemente vor zu hohen Bauteiltemperaturen zu schützen. Technisch gesehen ist ein Strangkühlkörper ein mechanisches Teil, das zur Oberflächenvergrößerung eine Rippenstruktur besitzt. Dadurch ist ein sehr guter Wärmeübergang vom Grundkörper an die Umgebungsluft gewährleistet. Der eingesetzte Aluminiumwerkstoff besitzt je nach Applikation und Einsatzgebiet viele positive Eigenschaften.
Das geringe Gewicht der Aluminiumlegierung im Vergleich zu Stahl, die hohe Stabilität und Festigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Wärmeleitfähigkeit sowie die vielseitigen Bearbeitungsmöglichkeiten liefern eine ideale Basis für effiziente Entwärmungskonzepte mittels stranggepresster Kühlkörper.
Das Fertigungsverfahren
Bei der Herstellung von Strangkühlkörpern spricht man umgangssprachlich von einem sogenannten direkten Strangpressen (Vorwärts-Strangpressen), wobei ein Pressenstempel den erwärmten Aluminiumblock entlang der Innenfläche eines Rezipienten in Richtung der Werkzeugmatrize mit hoher Kraft schiebt. Die eigentliche Werkzeugmatrize liefert, nachdem das Material hindurchgepresst wurde, die gewünschte Kühlkörpergeometrie und beeinflusst je nach Werkzeugauslegung die unvermeidbaren Toleranzabweichungen zur Wunschgeometrie. Jegliche im Strangpressverfahren hergestellte Extrusionskühlkörper und deren Herstellungstoleranzen obliegen internationalen DIN-Normen.
- Profilquerschnitte und deren auftretenden Toleranzen mit einem umschreibenden Kreis von ≤350 mm sind in der Norm DIN EN 12020 und für Strangprofile mit einem umschreibenden Kreis von >350 mm in der DIN EN 755 festgehalten.
Neben der wärmetechnischen Effizienz sind Strangkühlkörper oftmals als Komponente im Gesamtkonzept verbaut, wodurch diese immer in der gesamten Konzeption berücksichtigt und betrachtet werden müssen.
Je nach Kühlkörperabmessung und Geometrie liegen die zulässigen Toleranzabweichungen in einem Bereich von wenigen Zehntel bis hin zu einigen Millimetern. Nicht nur die mechanisch bearbeitete Kühlkörperlänge, sondern ebenfalls die Profilbreite und -höhe, die Winkelabweichung, die Verwindung und Planparallelität sowie die Wanddickentoleranz oder Wölbung (konvex/konkav) des Querschnittes gilt es kritisch zu bewerten. Eine genaue Betrachtung der Kühlkörpertoleranzen wird leider in der Vorplanung des thermischen Managements vielfach unterschätzt beziehungsweise vernachlässigt und führt im Nachhinein zu teuren sowie umfangreichen Anpassungen.
Das Aluminiummaterial ist eine Knetlegierung, die sich überwiegend aus Aluminium, Magnesium und Silizium zusammensetzt. In Europa wird die eingesetzte Legierungsart als EN-AW-Legierung bezeichnet, wobei EN für Europäische Norm und AW für Aluminium Wrought (Knetlegierung) steht.
- Die Legierung EN AW 6060 ist eine Standardlegierung für stranggepresste Kühlkörper und gewährleistet Profilkonturen mit einer sehr hohen Oberflächengüte, die in der Nachbehandlung für viele Oberflächenbehandlungen geeignet ist
Neben der Elektronikindustrie zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen sind Hauptanwendungsgebiete unter anderem in der Architektur als Tür- und Fensterrahmen, im Fassaden- und Automobilbau sowie in der Lebensmittelindustrie zu finden.
SMD-Kühlkörper
Sogenannte SMD-Kühlkörper werden gleichfalls im Strangpressverfahren
hergestellt und sind sehr effizient, um elektronische Bauteile auf der Leiterkarte zu entwärmen. Die speziell für oberflächenmontierte Bauteile von Fischer Elektronik entwickelten Kleinstkühlkörper sind in puncto Gewicht und deren Geometrie optimal auf die unterschiedlichen Bauteilversionen angepasst, wobei die kleinste Ausführung nur eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g besitzt.
- Das geringe Eigengewicht der SMD-Kühlkörper erlaubt eine direkte Klebemontage auf der Bauteiloberfläche, ohne allerdings die verbindenden Lötstellen mit der Leiterkarte durch mechanischen Stress zu beschädigen. Entscheidet sich der Anwender für eine Klebemontage mittels einer doppelseitig klebenden Wärmeleitfolie, so werden die SMD-Kühlkörper standardmäßig mit einer schwarz eloxierten Oberfläche ausgeliefert. Ebenso wird eine SMD-Bestückung der Kühlkörper auf der Leiterkarte mittels einer lötfähigen und optionalen Oberflächenbeschichtung gemäß der EU-Richtlinie RoHS gewährleistet.
- Lötfähige SMD-Kühlkörper lassen sich als Kühlkörper direkt auf die Leiterkarte, genauer gesagt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufbringen. Ein weiterer Mehrwert für den Anwender ist durch die standardmäßige Verpackungsform als Tape&Reel gegeben. Somit ist es einfach, SMD-Kühlkörper in den Bestückungs- und Lötprozess zu integrieren, da sich diese ähnlich wie ein SMT-Bauteil handhaben lassen.
- Größere Bauteilverlustleistungen auf der Leiterkarte benötigen gleichfalls größere Kühlkörper zur Bauteilentwärmung. Die so bezeichneten Leiterkartenkühlkörper sind auf verschiedenste Weise auf der Leiterkarte zu befestigen. Ein durch das Strangpressverfahren eingebrachter Gewindekanal ermöglicht die mechanische Befestigung auf der Leiterkarte mit einer metrischen M3-Schraube, einem Messingbolzen mit M3-Außengewinde oder einem Messingbolzen mit lötfähiger Oberflächenbeschichtung zur Einlötmontage.
- Darüber hinaus weisen diese Leiterkartenkühlkörper eine spezielle, im Kühlkörper integrierte Nutgeometrie auf. Diese wird direkt beim Strangpressen des Profils eingebracht und ergibt für den Anwender den Vorteil, dass die zu befestigenden Transistoren anhand besonders geformter Einrast-Transistorhaltefedern aus Edelstahl direkt per Clipfunktion in die Nut unverlierbar eingerastet werden können. Diese einfache Montage mit sicherem Halt bewirkt einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Kühlköpermontagefläche. Einmal eingerastet, hält die Feder unverrückbar in ihrer Position und fixiert mit hohem Anpressdruck den Transistor auf der Montagefläche.
Bauteile thermisch kontaktieren
Strangkühlkörper aus Aluminium sind mitunter mit unterschiedlichen herstellungsbedingten Toleranzen behaftet. Somit ist oftmals eine mechanische CNC-Nacharbeit der Kühlkörpermontagefläche erforderlich. Eine plan-ebene Halbleitermontagefläche ist sehr wichtig für die richtige und wärmetechnische optimale Kontaktierung der elektronischen Komponente auf dem Kühlelement. Ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Wärmesenke liefert kleinste Wärmeübergangswiderstände sowie eine sichere Halbleiterfunktion im vorgegebenen Temperaturbereich.
Thermische Kontaktmaterialien zwischen dem zu entwärmenden Bauteil und dem Kühlkörper dienen zur Verbesserung der Wärmeleitung und zum Ausgleich von Lufteinschlüssen beim Wärmeübergang.
Auf dem Markt für Wärmeleitmaterialien werden vielzählige Arten mit unterschiedlichen Eigenschaften angeboten und bieten bei richtiger Anwendung hervorragende Lösungsansätze zur thermischen Kontaktierung. Das Produktangebot reicht von den altbekannten Wärmeleitpasten und -klebern bis hin zu silikonhaltigen und -freien Wärmeleitfolien.
Wärmeleitmaterial – darauf ist zu achten
Bei der Auswahl des für die Applikation passenden Wärmeleitmaterials ist es im ersten Schritt immer ratsam, das Spaltmaß der Kontaktpaarung zwischen der Wärmesenke und dem Bauteil zu betrachten. Für planebene Oberflächen, die zum Beispiel durch eine CNC-technische Nachbearbeitung erzielt wurden, eignen sich Wärmeleitpasten sehr gut, um letzte Lufteinschlüsse in Form von Rautiefen auszufüllen. Aufgrund der Eigenschaften von Wärmeleitpasten und dem sogenannten Ausbluten sollten Schichtstärken im Bereich von maximal 50 µm zum Einsatz kommen.
Die Weiterentwicklung der genannten Wärmeleitpasten, allerdings in fester Form aus einem Trägermaterial, werden als Phase Change Materialien (PCM) bezeichnet. PCM-Materialien gibt es meist in Plattenform oder als Rollenware und gewährleisten aufgrund des reproduzierbaren Schichtdicken eine saubere und schnelle Montage auf den zu kontaktierenden Oberflächen.
Die Arbeitstiere unter den Wärmeleitfolien sind durch die weit verbreiteten und häufig eingesetzten silikonhaltigen oder -freien Wärmeleitfolien gegeben. Diese enthalten zur Wärmeleitung Materialzusätze wie Aluminiumoxyd oder Keramik und liefern neben einer guten Leistung ein optimales Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Verarbeitbarkeit. Unebenheiten und Fertigungstoleranzen in der Applikation beziehungsweise bei der Kontaktierung im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm werden sehr gut durch diese Art der Folien ausgeglichen. Weitere positive und nützliche Eigenschaften sind ein hoher Temperaturbereich, eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit, eine gute chemische Stabilität sowie eine hohe Alterungsbeständigkeit.
Um größere Bauteildifferenzen beziehungsweise Toleranzabweichungen der Kontaktpaarung zu überbrücken, sind sogenannte Gel-Wärmeleitfolien geeignet. Sie bestehen gleichfalls aus silikonhaltigen oder -freien Elastomeren und sind in den Materialstärken von 0,5 mm bis 8 mm auf dem Markt verfügbar. Diese Materialien sind aufgrund ihres Aufbaus sehr gut komprimierbar und können je nach Härtegrad und Anpressdruck bis zu 50 Prozent ihrer Gesamtdicke zusammengedrückt werden, wodurch eine optimale Oberflächenanpassung gewährleistet ist.
Die richtige Auswahl der zu verwendenden Wärmeleitmaterialien ist wichtig für die einwandfreie Funktion des elektronischen Bauteils. Demgemäß sollte man alle unterschiedlichen Materialien unter Beachtung ihrer jeweiligen
Spezifika betrachten, um eine der Applikation entsprechende, bestmögliche Auswahl zu treffen.
Ausschlaggebende Kriterien für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind unter anderem die thermische Impedanz (Wärmeleitfähigkeit), die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagfestigkeit), die chemische Zusammensetzung (Umweltverträglichkeit) sowie die Flexibilität (Shore-Härte) und Zugfestigkeit. Darüber hinaus sind eine leichte Handhabung, eine gute Alterungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer wichtige Auswahlkriterien, die es zu berücksichtigen gilt.
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