Die wichtigste Aufgabe eines thermischen Managements ist es, dass dieses durch die richtige Auswahl und Anpassung an die Applikation funktioniert. Elektronische Bauteile werden hierdurch in einem vom Hersteller spezifizierten Temperaturfenster langfristig betrieben. Des Weiteren wird die Lebensdauer der verwendeten Komponenten garantiert und Funktionsausfälle, gar eine Zerstörung einzelner Bauteile oder kompletter Funktionseinheiten, werden vermieden. In vielen elektronischen Applikationen verbessern bereits die künstliche Intelligenz und eine zustandsorientierte Wartung das thermische Management durch eine vorausschauende Fehlererkennung und adaptive Steuerung.
Vielzählige Sensoren überwachen die auftretenden Temperaturen, die Durchflussraten bei Lüftermotoren und Flüssigkeitskühlkörpern in Echtzeit. Des Weiteren verbessern KI-Algorithmen Lüfterdrehzahlen und Pumpenleistung, verlängern dadurch gleichfalls die Komponentenlebensdauer. Digitale Zwillinge ermöglichen simulationsgestützte Prognosen unter variierenden Umgebungsbedingungen und vereinfachen Tests neuer Entwärmungsdesigns ohne vollständige physische Prototypen. So weit die Theorie.
In der Praxis werden Entwärmungslösungen allerdings oftmals als im Gerät verbaute Komponenten im Zusammenspiel mit anderen Bauelementen betrachtet. Daher gilt es, herstellungsbedingte Toleranzfelder der jeweiligen Entwärmungslösung in der Gesamtapplikation über Musteraufbauten zu analysieren und anzupassen. Die klassischen Strangkühlkörper oder auch Profilkomponenten aus Aluminium für Lüfteraggregate werden im Extrusionsverfahren (Strangpressverfahren) hergestellt. Hierbei wird das erwärmte Aluminiummaterial bei ca. 470 bis 490 °C in Bolzenform durch eine Werkzeugmatrize mit eingebrachter Wunschgeometrie im Negativ gepresst.
Die beim Strangpressen zugrunde gelegten Toleranzfelder unterliegen internationalen DIN-Normen und richten sich nach Größe des umschreibenden Kreises des Strangpressproduktes. Strangkühlkörper, welche einen umschreibenden Kreis von ≤350 mm besitzen, werden in der Fachsprache als Präzisionsprofile bezeichnet und deren zulässige 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 aufgeführt. Zusammengefasst gilt es, stets die Größe des Pressproduktes zu beachten, denn je größer die hergestellte Geometrie ist, desto größer sind die zulässigen Toleranzen. Gemäß den genannten DIN-Normen liegen diese in einem Bereich von einigen Zehnteln bis hin zu einigen Millimetern. Diese Tatsache wird leider oftmals in der Vorplanung des thermischen Managements unterschätzt und vernachlässigt, führt mitunter im Nachhinein zu teuren sowie umfangreichen Anpassungen.
Individuelle Anpassungen
Als Komponente im Gesamtkonzept verbaut, ist 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 kritisch zu betrachten und zu berücksichtigen. Um die verwendeten Entwärmungskomponenten effizient zu nutzen, ist meistens eine Anpassung an die Einbausituation durch eine mechanische CNC-Bearbeitung erforderlich. Als Beispiel sei hier der Kühlkörperboden zu nennen, der in den meisten kundenseitigen Anwendungsfällen als Halbleitermontagefläche fungiert. Die optimale wärmetechnische Kontaktierung beziehungsweise Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörperboden oder der Montagefläche auf einem Lüfteraggregat wird durch die bereits beschriebene Durchbiegung der Profile erschwert.
Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs, zum Beispiel für große IGBT-Module, werden gemäß Herstellerangaben häufig Ebenheiten von <0,02 mm gefordert. Exakt plane Halbleitermontageflächen sind presstechnisch nicht herzustellen und müssen frästechnisch umgesetzt werden. Mithilfe von modernen, effizienten und hochpräzisen CNC-Bearbeitungszentren, so wie diese bei Fischer Elektronik zum Einsatz kommen, lassen sich Halbleitermontageflächen für Strangkühlkörper und Lüfteraggregate mit besonderer Güte im Hinblick auf die Ebenheits- und Rauheitswerte fertigen. Was in der Theorie bekannt ist und einfach klingt, bringt in der Praxis allerdings einige Herausforderungen mit sich und will ebenfalls gelernt sein.
Im Montagebereich des elektronischen Bauteils dürfen durch die Fräsarbeit keine Fräskanten oder sogar Fräsabsätze entstehen. Diese treten typischerweise auf, wenn die zur Verfügung stehende Montagefläche größer ist als das verwendete Fräswerkzeug, sodass die Gesamtfläche in mehreren Bahnen plangefräst werden muss. Die entstehenden und visuell sichtbaren Absatzkanten liegen im Tausendstel-, maximal im Hundertstel-Millimeterbereich, können im schlimmsten Fall aber einen negativen Einfluss auf die Funktion des Wärmeüberganges oder gar auf die Montage des Bauteils haben.
Zur Vermeidung solcher Fräsbahnen im Montagebereich ist es zweckmäßig, diese Bereiche in der fertigungstechnischen Zeichnung inklusive der Bauteilposition und -größe sowie erforderlicher Ebenheit zu spezifizieren. Innovative, eigens hierfür entwickelte Werkzeug- und Bearbeitungsstrategien bieten ebenfalls die Möglichkeit, auch größere Kühlkörperbodenflächen in einem Arbeitsgang plan zu fräsen. Hierbei ist die Anzahl der einzelnen Schneiden und das Gewicht des Messerkopfes im Verhältnis zur Tragkraft der CNC-Spindel von entscheidender Bedeutung. Das Aufbringen einer speziellen Schutzfolie verhindert darüber hinaus das Zerkratzen der bereits bearbeiteten Oberflächen bei weiteren Bearbeitungsschritten.
Die Qualität liefert Zuverlässigkeit
Präzise Fräsbearbeitungen jeglicher Art zur Adaption der ausgewählten Entwärmungskomponente an die Elektronik, wie zum Beispiel in Form von Durchbrüchen, Taschen, planen Auflageflächen, Bohrungen und Gewinden, sind die Schnittstelle zu der in der Applikation verbauten Elektronik. Eine perfekte und toleranzgenaue Bearbeitungsqualität ist daher unabdingbar, um die Passgenauigkeit der jeweiligen Entwärmungskomponente in der Einbausituation zu gewährleisten. Der eigentliche Qualitätsanspruch beginnt allerdings bereits bei der Lagerung der verschiedenartigen Strangpressprofile. Bei nicht sachgerechter Lagerung können die Profile je nach Umgebung korrodieren. Korrosion bezeichnet dabei die Reaktion des Grundwerkstoffs mit seiner Umgebung. Das Material wird sozusagen zerfressen und kann zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines elektronischen Bauteils oder Systems führen.
Die sogenannte Vorkorrosion ist allerdings im Vorfeld auf Strangpressprofilen nicht immer sichtbar, sondern wird erst ersichtlich, wenn das Material zum Beispiel nach der mechanischen Bearbeitung zusätzlich eloxiert wird. Die Vorkorrosion erzeugt auf der eloxierten Kühlkörperoberfläche Defekte und führt letztendlich zum Ausschuss der produzierten Komponente. Eigens zur Vermeidung von Korrosionsdefekten lagert die Fischer Elektronik sämtliche Strangpresserzeugnisse in einem innovativen Wabenlager, in dem ebenfalls zur Vermeidung von Kondenswasser die Lagertemperatur und -luftfeuchtigkeit stets überwacht und im grünen Bereich konstant gehalten werden.
Herstellungsbedingte Streifen im Strangpressprodukt entstehen je nach Beschaffenheit der Geometrie, mal mehr oder weniger an der Oberfläche des Endproduktes. Genauer gesagt entstehen diese Verunreinigungen, meist in Streifenform, beim Strangpressen durch die Reibung des Aluminiummaterials in der Werkzeugmatrize und können ohne jegliche Nacharbeit nicht vollständig entfernt werden. Die anodische Oxidation verbessert zwar das Gesamterscheinungsbild, liefert allerdings keine hundertprozentige Lösung. Erfordert die Anwendung keinerlei Oberflächenfehler, wie zum Beispiel Verformungen, Kratzer, Riefen oder Fräs- und Sägespuren, so sind nachgeschaltete Oberflächenbehandlungen, wie Schleifen oder Strahlen, oftmals das Mittel der Wahl.
Umfangreiche mechanische Bearbeitungsmöglichkeiten sind heutzutage aus dem Service-Angebot eines Kühlkörperherstellers nicht mehr wegzudenken. Unterstützt werden die genannten Bearbeitungsprozesse im Hause Fischer Elektronik durch eine stetige Produktionsüberwachung und Qualitätsüberprüfung mittels moderner 3D-Messmaschinen oder 3D-Geometriescanner für einen aussagekräftigen SOLL/IST-Vergleich. Dieses rundet in Summe das Bearbeitungsportfolio ab und gewährleistet in puncto Qualität darüber hinaus reproduzierbare Kundenwünsche und -anforderungen.
Die aufgeführten Erläuterungen zeigen, dass die Zu- und Einordnung von Press- und Fertigungstoleranzen durchaus unproblematisch ist, wenn die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Einflussnahme kenntnisreich genutzt und kritisch begutachtet werden. Eine detaillierte Zusammenstellung der in der Applikation benötigten mechanischen Kriterien, bezogen auf den jeweiligen Einsatzbereich, reduziert darüber hinaus die Herstellkosten und erspart des Weiteren eine kostspielige sowie oftmals aufwendige Nacharbeit.
