Wärmemanagement Effektiver kühlen als bisher

Mit dem HDDC-Verfahren können Lamellen in verschiedenen Formen gefertigt und angeordnet werden.

Bild: Aavid Thermalloy
16.10.2016

Der Fortschritt bei Elektronikbauteilen macht deren Wärmemanagement immer schwerer. Herkömmliche Extrusions- und Druckgussverfahren für Kühlkörper stoßen an ihre Grenzen. Mit dem High-Density-Die-Casting-Verfahren sind jedoch komplexe Lösungen möglich.

Aufgrund der steigenden Leistungsdichte sowie der heutigen Leistungen wird es immer schwieriger, eine gute Lösung für Probleme im Wärmemanagement von elektronischen Bauelementen zu finden. Wärmetechnik-Ingenieure versuchen daher, unter Berücksichtigung aller Kundenanforderungen, gängige Fertigungstechnologien einzusetzen und dabei die jeweils geeignetste Lösung zu finden. Dazu zählen unter anderem: Kühlkörper, Flüssigkeitskühlplatten und Druckgussgehäuse. Zudem müssen sie während der Konstruktionsphase bekannte Einschränkungen hinsichtlich Rippendichte und Geometrie berücksichtigen. Unter den vielen Fertigungstechnologien sind für die Großserienfertigung die Extrusion und der Druckguss die geläufigsten Methoden.

Ein weiterer, sich im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium befindlicher Prozess ist das High Density Die Casting (HDDC). Es wird dort eingesetzt, wo Extrusions- und herkömmliche Druckgussverfahren an ihre Grenzen stoßen. So kann der Druckguss ausschließlich mit einer Art Aluminiumlegierung durchgeführt werden, die sich durch eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit (90 bis 140 W/mK) auszeichnet. HDDC hingegen ermöglicht das Arbeiten mit hochwärmeleitfähigen Aluminiumlegierungen (im Bereich 200 W/mK). Die Vorteile eines flexiblen 3D-Designs und die geringen Fertigungskosten für hohe Stückzahlen bleiben bei diesem Fertigungsprozess erhalten. Zudem können mit dem HDDC-Verfahren im Rahmen des Designs verschiedene Werkstoffe kombiniert werden – Aluminium und Kupfer, Aluminium und Edelstahl. Die dabei erzielbare Kornstruktur ist nahezu porenfrei und eliminiert so einige der Einschränkungen, die der Druckguss mit sich bringt: etwa eine eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit aufgrund des hohen Kupfergehalts und, dass wegen des hohen Anteils an Silizium das Metall-
Fügeverfahren (Hartlöten) nicht möglich ist. Die HDDC-Technik ist ein Hybrid-Prozess, der Elemente des Druckgießens und des Warmschmiedens kombiniert und so die kosteneffektive Fertigung endkonturnaher Kühlkörper ermöglicht. Ein weiterer Vorteil besteht in den optimierten Kühlkörpern mit integrierten Aussparungen, Anlötteilen und dünnen Kühllamellen, die ein leichteres Gewicht gewährleisten. Zudem können bei diesem flexiblen Prozess die Kühllamellen als integrale Teile eines Elektronikgehäuses angeschweißt werden.

Keinerlei Porosität bei HDDC-Produkten

Die Erforschung der HDDC-Technik hat ergeben, dass das Endprodukt keinerlei Porosität aufweist. Während beim herkömmlichen Druckgussverfahren auf das Volumen verteilt eine gewisse Porosität auftritt, die sich maßgeblich auf die Leckdichtigkeit des Endprodukts auswirkt, weisen HDDC-Produkte eine porenfreie Mikrostruktur auf. Das bedeutet, dass man mit
HDDC leckdichte Gehäuse fertigen kann, darunter absolut dichte Flüssigkeitskühlplatten, und dass HDDC-Produkte extrudierten Produkten mit gleicher Legierung ähneln. Da mit HDDC-Kühlkörpern hochwärmeleitfähige Aluminium-Knetlegierungen wie Al6063 oder Al1070 verwendet werden können, erzielen diese eine effektivere Wärmeableitung als Druckguss-Kühlkörper aus Aluminium.

Um die Möglichkeiten der 3D-Designs voll auszunutzen und den Luftstrom je nach Bedarf auszurichten, können die Lamellen in verschiedenen Formen gefertigt und angeordnet werden: flach, abgeschrägt, elliptisch, stiftförmig und radial (siehe Abbildung). Dadurch verringert sich der Gegendruck, indem nur dort Luftverwirbelungen entstehen, wo sie auch nötig sind. Dank des HDDC-Prozesses kann die Lamellenanordnung neu gestaltet und so der Strömungswiderstand für zugeführte Luft- oder Flüssigkeitsströme reduziert werden, was die Luftverwirbelungen zwischen den Lamellen optimiert und damit für eine verbesserte thermische Performance sorgt. Die verwendeten Legierungen und die geringe Porosität wirken sich zudem positiv auf die Metallverbindungs- und Endbearbeitungsprozesse aus. Einige der charakteristischen Abmessungen werden mit einer gewissen Bandbreite angegeben, da sie in Kombination mit anderen Parametern festgelegt werden: So kann zum Beispiel die Wanddicke je nach allgemeiner Form und Geometrie des Bauteils variieren.

Der HDDC-Prozess ist eine Verbesserung des herkömmlichen Druckgussverfahrens. So lassen sich hochwertigere Aluminiumlegierungen verwenden, einige Nachteile des Druckgussverfahrens werden eliminiert, und man kann eingebettete Lamellen mit einer Zugfestigkeit im Bereich von 80 N/mm² hinzufügen. Zudem bietet das HDDC-Verfahren die Möglichkeit, mit verschiedenen Werkstoffkombinationen zu arbeiten: Aluminium und Kupfer, Aluminium und Edelstahl. Dabei wird der hinzugefügte Werkstoff in ein per Gießverfahren gefertigtes Aluminiumgehäuse mit hoher Dichte eingebettet.

Komplexe Baugruppen sind möglich

Anhand des HDDC-Verfahrens lassen sich Kühlkörper fertigen, die im Vergleich zu Druckguss- und extrudierten Produkten zahlreiche Vorteile aufweisen. Die höhere thermische Leitfähigkeit – gekoppelt mit vielfältigeren Möglichkeiten bei Lamellenkonfiguration und -form – sind Vorzüge beispielsweise bei stiftförmigen, elliptischen oder radialen Kühllamellen. Viele dieser Eigenschaften können durch Extrusion oder herkömmliche Druckgusstechniken nicht erreicht werden. Zudem ermöglicht die HDDC-Technik die Verwendung von Aluminium-Knetlegierungen im flüssigen Zustand zur Fertigung von Kühllamellen für die Wärmeableitung an Gehäusen mit aufwändigen Elementen. Am deutlichsten sichtbar sind die Vorzüge der nun möglichen neuen Formen und Geometrien im Hinblick auf die verschiedenen Lüftungsbedingungen: Ein für die natürliche Konvektion optimiertes HDDC-Bauteil unterscheidet sich grundlegend von einem für die Zwangskonvektion gefertigtes Bauteil. Selbst Teile, die für Anwendungen mit Zwangskonvektion konzipiert wurden, werden sich je nach Randbedingung unterscheiden: verfügbarer Durchfluss, maximaler Druckabfall, Gehäusegröße und -form und so weiter.

Durch den Einsatz von direktem Hochdruck kann man die Bildung von temperaturbedingten Spannungsrissen vermeiden und Produkte fertigen, die über sehr gute mechanische Eigenschaften und eine porenfreie Kornstruktur mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit verfügen. Die dichte, porenfreie Gussteilqualität erlaubt elektrochemische Oberflächenbehandlungen wie das Eloxieren. Die Verwendung von Knetlegierungen ermöglicht das Hartlöten und Schweißen der Bauteile und damit die Realisierung komplexerer Baugruppen.

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