Wie die schnelle und ressourcenschonende Herstellung von hocheffizienten Mikrokühlern mit monolithischer Struktur Abhilfe schafft.

Bild: iStock, Pulvas

Wärmemanagement auf kleinstem Raum 3D-Metalldruck kühlt Elektronik

29.08.2019

In der Leistungselektronik werden Kühlkörper eingesetzt, um Wärme von Platinen abzuleiten. Die fortschreitende Miniaturisierung dieser anspruchsvollen Komponenten erfordert immer kleinere Bauteile, die mit spanenden Verfahren kaum noch realisiert werden können. Selective Laser Melting (SLM) schafft Abhilfe. Es ermöglicht die schnelle und ressourcenschonende Herstellung von hocheffizienten Mikrokühlern mit monolithischer Struktur.

Moderne Elektronik benötigt immer kleinere Bauteile, wodurch auf geringerem Raum eine höhere Leistungsdichte bei gleichem Wirkungsgrad entsteht. Für herkömmliche Kühlkörper ist dies eine große Herausforderung, da ihre eigenen Strukturen viel Platz erfordern, sie jedoch gleichzeitig ein zunehmendes Maß an Wärme abführen müssen. IQ Evolution hat deshalb ein 3D-Metalldruckverfahren mit Pulverbett entwickelt, durch das Mikrokühler in jeder Form produziert werden können. Die mit dem Selective Laser Melting (SLM) hergestellten Kühlkörper sind in der Lage, enorme Wärmemengen auf kleinstem Raum abzuführen. Dabei haben weder Komplexität noch Detailgrad der Kühlstruktur eine Auswirkung auf die Fertigungskosten – diese werden lediglich vom eingesetzten Material und dem Volumen des Bauteils bestimmt.

Ressourcenschonender 3D-Metalldruck

Zunächst wird für das SLM ein CAD-Modell der Komponente erstellt, das individuell auf das jeweilige Einsatzgebiet zugeschnitten ist. Dabei sind Erfahrungen im Bereich der Thermodynamik essentiell, um schnell die kritischen Hotspots ausfindig zu machen und das System auf die erforderlichen Werte einzustellen. Bisherige Kühlkörper nutzen Rippenstrukturen, um die entstehende Hitze abzuleiten. Dadurch sind sie aber auf bestimmte Designs festgelegt. Bei den Mikrokühlern auf Basis von SLM wird die Wärme dagegen über hoch turbulente Strömungen abgeführt, die durch spezielle Aufbauparameter an den Innenflächen entstehen. Eine Computersimulation unterstützt bei der optimalen Auswahl der notwendigen Parameter, wodurch die mechanischen Eigenschaften wie Verwirbelung oder Strömungsgeschwindigkeit 1:1 aus der Entwicklung in die Produktion übertragen werden können.

Nach der Erstellung des Modells wird das Metallpulver in einer isolierten Kammer in dünnen Schichten von etwa 0,03 mm auf eine Substratplatte aufgetragen. Dafür wird üblicherweise Nickelpulver benutzt, denn dessen Fließfähigkeit begünstigt die Herstellung von kleinsten und filigranen Strukturen. Je nach Anwendungsfall können aber auch andere Metalle oder Kupferlegierungen verwendet werden, wenn beispielsweise ein bestimmter thermischer Ausdehnungskoeffizient gewünscht wird. Der eigentliche 3D-Druck geschieht über das Schmelzen des Pulvers mithilfe eines Lasers, der sich gemäß der Vorgaben des CAD-Modells über die oberste Schicht bewegt. Nach dem ersten Durchlauf wird die Substratplatte gesenkt und der Laser schmilzt nun die neu gebildete Lage. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das maßgeschneiderte Produkt hergestellt ist. Das nicht von dem System verwendete Pulver wird am Ende der Fertigung entnommen und kann ressourcenschonend in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich ein Prototyp selbst bei der Verwendung von teuren Rohstoffen innerhalb weniger Wochen kosteneffizient bis zur Serienreife bringen.

Flexible Spezialanfertigungen für Anwendungen

Mit dem Verfahren lässt sich so jeder Mikrokühler optimal auf das Einsatzgebiet abstimmen. Zusätzlich kann die Prototyp-Entwicklung jederzeit auf Kundenwünsche, Dank des computergestützten CAD-Modells, während der Entwicklungsphase reagieren. Für übliche Anwendungen lassen sich einfache Standardprodukte, wie 2er-, 4er- oder 8er-Kühler herstellen. Doch die Spezialität des 3D-Druckverfahrens sind spezielle nicht genormte Kühlstrukturen, aber auch runde oder noch ungewöhnlichere platzsparende Geometrien sind denkbar. Leider wird aber in der Leistungselektronik häufig nur in zweidimensionalen Formen gedacht. Durch die flexiblen Design-Varianten ergeben sich hingegen zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten – beispielsweise ultra-dünne Mikrokühler, welche bereits bei der Herstellung einer Leiterplatine in diese integriert werden.

Nicht nur bei Größe und Struktur ist das SLM flexibel, sondern auch bei der Verwendung der Metalle, denn das Verfahren ist mit verschiedenen Rohstoffen durchführbar – von Kupfer über Nickel bis hin zu Chrom und zahlreichen Legierungen. Dadurch ergeben sich auch neue Funktionen, die ein solcher Mikrokühler übernehmen kann. Häufig ist in der Leistungselektronik ein elektrischer Kontakt zur metallenen Oberfläche des Mikrokühlers unerwünscht. Daher ist zum Beispiel auch eine Kombination aus elektrischer Isolierung und elektrisch leitfähigen Schichten möglich, welche auf die Kühlfläche aus Metall aufgebracht wird. So werden alle Hotspots auf der Platine gekühlt, der Mikrokühler ist aber gleichzeitig nicht elektrisch mit der Platine verbunden. Eine solche kompakte und effiziente Bauweise eignet sich besonders für die E-Mobility, da der Platz in Elektrofahrzeugen meist äußerst beschränkt ist. Aber auch für Multilayer-Platinen kommt ein SLM-Mikrokühler infrage. Da das Verfahren so flexibel ist, birgt es zudem noch viel Potenzial für weitere Einsatzgebiete.

Bildergalerie

  • Moderne Elektronik benötigt immer kleinere Komponenten, wodurch auf geringerem Raum eine höhere Leistungsdichte bei gleichem Wirkungsgrad entsteht.

    Bild: IQ Evolution

  • Für übliche Einsatzgebiete wie die Kühlung von Leistungskomponenten in TO247-Gehäusen hat IQ Evolution Standardprodukte wie einer 2er-, 4er- oder 8er-Kühler entwickelt. Diese können auch problemlos und kostengünstig an andere Gehäusearten angepasst werden.

    Bild: IQ Evolution

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