Um individuelle Kundenwünsche hinsichtlich des Kühlkörperdesigns zu erfüllen, müssen verschiedenartige Bearbeitungsmaschinen eine mechanische Anpassung des Kühlkörpers vornehmen. Der Beitrag erörtert, worauf man dabei achten muss.

Bild: Fischer Elektronik; iStock, Evgenii Dmitriev

Individuelle Kühlung gesucht Kühlkörper fachgerecht modifizieren, aber wie?

07.06.2022

Fertigungsbedingte Toleranzen sind neben dem Wärmeableitvermögen bei der Auswahl von Strangkühlkörpern aus Aluminium als Entwärmungskonzept zwingend zu berücksichtigen. Die oftmals vom Kunden geforderten Einbautoleranzen sind durch das reine Fertigungsverfahren nicht zu erreichen und müssen mit Hilfe einer mechanischen CNC-Nacharbeit erzielt werden. Der Beitrag erörtert, wie das geht.

Strangkühlkörper aus Aluminium, auch als Kühlkörper oder in der Physik als Wärmesenke bezeichnet, finden oftmals als eine in einem elektronischen Gerät verbaute Komponente ihren Einsatz. Hierbei muss der Kühlkörper immer im Zusammenspiel mit anderen Bauelementen der Funktionsbaugruppe gesehen und berücksichtigt werden. Strangkühlkörper werden typischerweise im sogenannten Extrusionsverfahren hergestellt, das heißt erwärmtes Aluminiummaterial in Bolzenform mit einer Temperatur von circa 470 bis 490°C wird durch eine Werkzeugmatrize mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im negativ gepresst.

Das beschriebene Herstellungsverfahren bringt allerdings unterschiedliche Toleranzformen mit sich, die in der Gesamtanwendung berücksichtigt werden müssen, gerade wenn der Kühlkörper als Einbauteil fungiert. Die Größe der Fertigungsabweichungen richtet sich immer nach dem Verhältnis von Kühlkörperbreite, -höhe, -bodenstärke, der Rippendicke und den Rippenabständen zueinander. Je nach Größe und geometrischer Beschaffenheit des Strangpressproduktes, können die auftretenden Toleranzen in einem Bereich von einigen zehnteln bis hin zu einigen Millimetern liegen, auch in Längs- und Querrichtung. Die möglichen Toleranzfelder gemäß dem zu fertigenden Produkt, obliegen den bekannten internationalen DIN-Normen und sind in diesen genauestens beschrieben. Die jeweilige Maßabweichung richtet sich anhand des umschreibenden Kreises des Pressproduktes.

Extrusionskühlkörper und Strangkühlkörper

Extrusionskühlkörper, welche einen umschreibenden Kreis von ≤ 350 mm besitzen, werden gemäß DIN-Norm als Präzisionsprofil bezeichnet und deren zulässigen Abweichungen sind in der DIN EN 12020-2 spezifiziert. Toleranzabweichungen für Strangprofile mit einem umschreibenden Kreis von > 350 mm sind in der DIN EN 755 verfasst. Das bereits angesprochene Aluminiummaterial zur Kühlkörperherstellung besteht überwiegend aus Magnesium und Silizium, wird gemäß Europäischer Norm als Knetlegierung EN AW (EN = Europäische Norm, AW = Aluminium Wrought) bezeichnet.

Strangkühlkörper liefern neben einer guten thermischen Performance dem Anwender eine preislich attraktive Möglichkeit der Bauteilentwärmung. Darüber hinaus sprechen vielzählige Faktoren, wie zum Beispiel die relative geringen Stück- und Profilwerkzeugkosten, die einfache Prototypenherstellung, die gute thermische Leitfähigkeit des Grundmaterials, das relativ geringe Gewicht, der gute thermische Widerstand sowie die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Varianten, deutlich für effiziente Strangkühlkörper als Konzept zur Entwärmung von elektronischen Komponenten.

Zu beachtende Parameter

Fertigungsbedingte Toleranzen von stranggepressten Kühlkörpern aus Aluminium, können in puncto der Durchbiegung der Montageflächen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung erheblich sein und die Gesamtapplikation je nach Einbausituation stark beeinflussen. Im Hause Fischer Elektronik erfolgt mit verschiedenartigen Bearbeitungsmaschinen in der Regel eine mechanische Anpassung der Kühlkörper, sodass die auftretenden Toleranzfelder den Kundenwünschen anzugleichen sind. Beispielhaft für eine mechanische Anpassung von Kühlkörperprofilen, kann der für die Bauteilmontage wichtige Kühlkörperboden genannt werden, auf dem typischer Weise die elektronischen Bauteile kontaktiert beziehungsweise befestigt werden.

Die optimale Bauteilmontage, gerade bei großvolumigen Kühlkörperprofilen, wird oftmals aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung und deren zusätzlichen Torsion in Längsrichtung erschwert. Besonders für große IGBT-Module werden nicht selten seitens der Bauteilhersteller bestimmte Ebenheitswerte für die Halbleitermontageflächen gefordert, so dass eine fachgerechte Montage und sichere Funktion gewährleistet werden kann. Die geforderten Ebenheitswerte, nicht selten in der Größenordnung von <0,02 mm, sind allerdings durch das reine Fertigungsverfahren nicht zu realisieren und müssen einer zusätzlichen CNC-Nachbearbeitung unterzogen werden.

Exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen liefern eine besondere Güte in Hinblick auf die Eben- und Rauheitswerte. Gemäß Kundenvorgabe oder den Bauteilerfordernissen produziert Fischer Elektronik mit effizienten und innovativen CNC-Fertigungsmaschinen die gewünschte Oberflächenqualität. Die Bearbeitung mittels CNC-Bearbeitungsmaschinen ist nichts Neues beziehungsweise bei den Anwendern nicht unbekannt, hört sich somit theoretisch relativ einfach und plausibel an, bringt aber in der Praxis einige Herausforderungen mit sich und will ebenfalls gelernt sein.

Kühlkörper fräsen, aber richtig!

Fräs- oder sogar Fräsabsatzkanten dürfen bei der mechanischen CNC-Nachbearbeitung im Montagebereich der Halbleiter nicht auftreten und sind absolut unzulässig. Diese visuell sichtbaren Absatzkanten liegen zwar im Tausendstel-, maximal im Hundertstel-Millimeterbereich, erzeugen aber optisch einen negativen Eindruck und können je nach Anforderung an die Ebenheitswerte, gleichfalls einen negativen Einfluss auf die Funktion des Wärmeüberganges sowie auf die Montage des elektronischen Bauteils haben.

Die angesprochenen Fräsabsatzkanten entstehen meistens, wenn die zu fräsende Kühlkörperbodenfläche größer ist als das verwendete Fräswerkzeug und die Fläche mit mehreren kleinen Fräsbahnen plan eben gefräst wird. Zur Vermeidung dieser visuellen sichtbaren Frässtrukturen, ist es zwingend erforderlich die verwendeten Fertigungszeichnungen anzupassen und den Montagebereich für die Halbleiter zu kennzeichnen sowie exakt in Form von Ebenheitswerten zu beschreiben.

Eigens im Hause Fischer Elektronik entwickelte Fräswerkzeuge und Bearbeitungsstrategien, gewährleisten durchaus die Möglichkeit bei größeren Kühlkörperbodenflächen, diese in einem Stück beziehungsweise mit einer Spur plan zu fräsen. Für weitere Folgearbeitsgänge und zur Vermeidung von weiteren Bearbeitungsspuren, in Form von Riefen und Kratzern, werden die qualitativ hochwertigen Endoberflächen mit einer Schutzfolie überzogen, welche wieder vor der Verwendung rückstandsfrei abgezogen werden kann.

Lagerung nicht vernachlässigen

Eine mechanische CNC-Nachbearbeitung für zum Beispiel plan gefräste Oberflächen oder Durchbrüche, stellen die Schnittstelle zu der in der Applikation verbauten Elektronik dar und müssen ebenso präzise umgesetzt werden, um die Elektronik wärmetechnisch und mechanisch richtig an die Entwärmungskomponente anzupassen beziehungsweise diese darauf zu montieren. Die aus dem Strangpressprodukt herzustellende Qualität beziehungsweise der Qualitätsanspruch beginnt allerdings bereits bei der Lagerung der Rohmaterialien.

Lagerungseffekte haben ebenfalls neben der mechanischen Bearbeitung durchaus einen qualitativen Einfluss auf den Gesamteindruck des Endproduktes. Schlechte Lagerbedingungen führen je nach Umgebung zum Beispiel zu einer Vorkorrosion, bei der das Grundmaterial in Zusammenhang mit seiner Umgebung reagiert. Aus technischer Sicht beschreibt die Vorkorrosion ein zerfressen des Materials, wodurch es letztendlich zu Beeinträchtigungen kommen kann.

Beeinträchtigungen wären etwa Fehlfunktionen der elektronischen Bauteile oder der gesamten Systembaugruppe, aber auch negativ sichtbare Defekte auf dem Material werden ersichtlich und führen letztendlich zum Ausschuss der produzierten Komponente. Die Vorkorrosion ist allerdings im Vorfeld auf Strangpressprofilen nicht immer sichtbar, sondern wird erst ersichtlich, wenn das Material zum Beispiel nach der mechanischen Bearbeitung zusätzlich noch eloxiert wird.

Die Optik ist wichtig

Für viele Applikationen, bei denen auch das optische Erscheinungsbild eine große Rolle spielt, werden die Aluminiumprofile im Hause Fischer Elektronik nach der Bearbeitung anodisch oxidiert, auch als eloxieren bezeichnet. Materialverunreinigungen im verwendeten Rohaluminium sowie press- und herstellungsbedingte Streifen die beim Durchfluss des Materials durch Reibung in der Werkzeugmatrize entstehen, sind nicht immer zu hundert Prozent durch den nachgeschalteten Eloxalprozess zu kaschieren. Ein stetig steigender Qualitätsanspruch seitens der Kunden an das Aluminiumprodukt, ist allerdings auch im industriellen Bereich spürbar. Beispiele hierfür sind vielfach im Bereich der Entwärmung von LEDs vorzufinden.

LED-Platinen in Form von COBs (Chip-On-Board) werden direkt inklusive deren Elektronik und Optik in sogenannte LED-Kühlkörper integriert. Die Kühlkörper in runder Formgebung werden im Mittelkern zur Aufnahme der LED mechanisch bearbeitet, wodurch der Kühlkörper die LED entwärmt und gleichzeitig aber auch als ein von außen sichtbares Leuchten Gehäuse fungiert. Nach diesem Prinzip sind komplette LED-Strahler herzustellen und dementsprechend sind keine Beschädigungen und Bearbeitungsspuren, wie zum Beispiel Verformungen, Kratzer, Riefen, Fräs- und Sägespuren im Oberflächensichtbereich, zulässig.

Die herstellungsbedingten Spuren, aber auch die einer mechanischen Bearbeitung, sind nicht immer vermeidbar und müssen durch eine nachträgliche Oberflächenbearbeitung eliminiert werden. Die mechanische Vorbehandlung der Aluminiumkomponenten kann durch Schleifen in definierten Korngrößen erfolgen. Das Schleifverfahren erzeugt, je nach Korngröße des Schleifbandes, eine feine bis grobe Oberflächenstruktur, welche zur Homogenisierung des Schleifbildes in einem weiteren Arbeitsgang gescotscht werden kann.

Eine weitere Vorbehandlung der Aluminiumkomponenten kann durch verschiedenartige Strahlmöglichkeiten erfolgen. Veredelte Oberflächen durch Strahlmittel wie Sand, Stahl, Glas und Kunststoff ergeben eine visuell „raue“ Struktur, schleifen und polieren hingegen eine „feinere“. Die Beschaffenheit der Endoberfläche und deren Haptik sind abhängig von den Korngrößen der verwendeten Strahl- und Schleifmittel. Beide Verfahren eignen sich gut als Vorbehandlung für den Eloxalprozess.

Fazit

Als Fazit bleibt festzuhalten, das elektromechanische Komponenten mit einer sehr hochwertigen und präzisen Bearbeitungsqualität bereits in vielen technischen Gebrauchsgütern ihre Anwendung finden, seitens der Kunden mehr denn je nachgefragt und gefordert werden.

Bildergalerie

  • Stranggepresste Kühlkörper liefern dem Kunden neben der thermischen Performance ein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis bei geringen Stück- und Werkzeugkosten.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Sämtliche Strangkühlkörper sind mit herstellungsbedingten Toleranzen gemäß unterschiedlicher DIN Normen behaftet und nicht zu vermeiden.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Nicht nur zur Entwärmung von LEDs werden auch im industriellen Bereich optisch anspruchsvolle Endprodukte aus Aluminium gefragt und gefordert.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Sämtliche Strangkühlkörper sind mit herstellungsbedingten Toleranzen gemäß unterschiedlicher DIN Normen behaftet und nicht zu vermeiden.

    Bild: Fischer Elektronik

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel