FISCHER ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Speziell konzipierte Lamellenkühlkörper besitzen sehr kleine Rippenabstände und eine möglichst große Oberfläche für die forcierte Konvektion.

Bild: Fischer Elektronik
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Stranggepresste Kühlkörper Universelle Kühlkörpergestaltung

12.10.2018

Kundenspezifische Kühlkörperlösungen in Punkto Geometrie und Design sind mehr denn je gefragt und gefordert. Stetig steigende Leistungsdichten bei immer kleiner werdenden Packungsdichten erschweren oftmals die Umsetzung eines thermischen Managements.

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Der anhaltende Trend zu stetig kleineren Packungsdichten elektronischer Bauelemente, bei gleicher oder oftmals noch höherer Verlustleistung, führt zwangsläufig ebenfalls zu höheren Bauteiltemperaturen, wodurch der Einsatz eines effizienten thermischen Managements unverzichtbar wird.

Für die freie Konvektion sind sogenannte Strang- oder Extrusionskühlkörper oftmals das Mittel der Wahl. Ähnlich wie andere Kühlkörperlösungen, beispielsweise als Blechbiegeteil aus Aluminium oder Kupfer (Board Level Kühlkörper), werden strangpresste Kühlkörper mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden. Gemäß den physikalischen Wirkprinzipien erfolgt der Wärmefluss dann von warm nach kalt, das heißt der Kühlkörper, auch Wärmesenke genannt, nimmt die thermische Energie des zu entwärmenden Bauteils auf und leitet diese über das Prinzip der Oberflächenvergrößerung, in Form einer Rippenstruktur, an die Umgebungsluft ab.

Kühlkörper nach Maß

Strangkühlkörper aus Aluminium werden wie bereits erwähnt im Extrusionsverfahren hergestellt, also einfach gesagt, das beim Umformen meist als Block erwärmtes Aluminiummaterial wird durch eine Matrize, mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ, gepresst. Der Wärmeübergang von festen Köpern zu einem umgebenden Fluid ist umso besser, je größer die wärmeübertragende Oberfläche ist, weshalb beim Kühlkörperdesign seitens der Kunden stets versucht wird, eine möglichst große Wärmetauschfläche zu erzielen. Oftmals werden allerdings hierbei die physikalischen und produktionstechnischen Gefahren außer Acht gelassen.

Grundsätzlich sollte beim Kühlkörperdesign, auch der Einsatz in der Applikation berücksichtigt werden. Für die freie Konvektion führt ein zu geringer Rippenabstand zu einer Überlagerung von Grenzschichten, also einzelne Rippen und Flächen können sich gegenseitig negativ beeinflussen. Es bildet sich zwischen den Kühlrippen ein Widerstand gegen das natürliche Auftriebsverhalten, dem Kamin-
effekt, wodurch die Effizienz des Kühlkörpers in der Wärmeabfuhr deutlich beeinträchtigt wird. Ein weiterer Nachteil oder limitierender Faktor ist durch das Herstellungsverfahren des Strangpressens gegeben.

Faktoren des Rippenabstands

Die Herstellung von sehr kompakten Kühlkörpern mit einem möglich geringen Rippenabstand und dadurch größtmöglicher Oberfläche, benötigen ein extremes Zungenverhältnis. Das im Fachjargon bezeichnete Zungenverhältnis, beschreibt den Zusammenhang zwischen der Rippenhöhe und dem -abstand im Verhältnis zur dazugehörigen Kühlkörperbreite. Zungenverhältnisse von 4:1 bis 16:1 sind heutzutage je nach Strangpresswerk gegeben. Produktionstechnisch sind allerdings die hohen Zungenverhältnisse mit Vorsicht zu betrachten, da der benötigte Kühlkörper in der Werkzeugmatrize immer als negativ zu sehen ist. Der gewünschte, geringe Rippenabstand des späteren Profils, wird somit im Werkzeug als schmaler Steg abgebildet.

Je nach Presskraft der Strangpresse, wirken pro mm2 einige hundert Newton auf diesen Steg. Die hohe Presskraft kann bei falscher Dimensionierung dazu führen, dass dieser Steg durch das eingepresste Aluminiummaterial in Schwingung versetzt wird und im schlimmsten Fall bricht. Aufgrund dessen und auch wirtschaftlicher Aspekte, wird beim Kühlkörperdesign ebenfalls stets auf die technische Machbarkeit und die Langlebigkeit der Strangpresswerkzeuge geachtet, so dass die Bodenstärke, die Rippenhöhe und -stärke sowie der Rippenabstand immer in einem gesunden Verhältnis steht.

Oberfläche unterstützt forcierte Konvektion

Kühlkörper mit einer hohen Rippendichte beziehungsweise Oberfläche, haben allerdings ebenfalls aus wärmetechnischer Sicht ihre Daseinsberechtigung, besonders für eine forcierte Entwärmung, bei der mittels zusätzlicher Lüftermotoren, Luft in gerichteter Form durch eine Rippenstruktur befördert wird. Die sogenannten Lamellenkühlkörper, auch als Bonded-Fin-Kühlkörper bezeichnet, liefern hierzu ausgezeichnete und sehr effiziente Lösungsmöglichkeiten. Die engmaschigen Lamellenkühlkörper werden häufig bei erschwerten wärmetechnischen Belangen oder Einbaubedingungen nachgefragt und gefordert, da komplizierte Applikationsvorgaben nur durch speziell angefertigte Kühlkörperlösungen realisierbar sind.

Lamellenkühlkörper besitzen zur Halbleitermontage eine oder auch zwei Basisplatten, welche aus einem hoch wärmeleitendem Aluminiummaterial bestehen. Die Basisplatten werden als Strangpressprofil oder aus einem Vollmaterial hergestellt. Die gegenüberliegende Seite der Bodenfläche enthält eine spezielle Nutgeometrie, in welche in einem weiteren Bearbeitungsschritt Aluminium- oder auch Kupferlamellen eingepresst werden. Zur Optimierung des Wärmeübergangswiderstandes von der einzelnen Lamelle in den Kühlkörperboden, wird zusätzlich ein besonderer Wärmeleitkleber verwendet. Dieser füllt eventuelle im Fertigungsprozess entstandene Lufteinschlüsse, sorgt gleichfalls für eine mechanische Stabilisierung der einzelnen Lamellen und führt letztendlich zu einer perfekten wärmetechnischen Anbindung der Lamellen zum Kühlkörperboden.

Flexibel anpassbare Lamellenkühlkörper

Die Halbleitermontageflächen der Lamellenkühlkörper, ob ein- oder doppelseitig, sind exakt plan gefräst und ergeben dementsprechend kleinste Wärmeübergangswiderstände. Es kann nicht nur die Lamelle, sondern auch der gesamte Kühlkörper aus Kupfermaterial ausgeführt werden. In vielfachen Anwendungen fungiert die Basisplatte aus Kupfermaterial, aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Aluminium, als Heatspreader und liefert einen echten Mehrwert gerade bei kleinen Wärmeeintragsflächen. Die Gestaltung der Lamellenkühlkörper in Punkto der geometrischen Abmessungen, der Materialstärke der Halbleitermontageflächen sowie auch die Form und die Abmessungen der einzelnen Kühllamellen, sind nach kundenspezifischen Vorgaben beliebig anzupassen und umsetzbar.

Die maximale Kühlkörperbreite und -länge beträgt 400 mm bei einer maximalen Basisplattendicke von 30 mm. Der minimale Rippenabstand zwischen den einzelnen Kühlrippen beträgt 2 mm bei einer maximalen Rippenhöhe von 120 mm, wobei die Rippendicke 0,8, 1, 1,5 oder 2 mm betragen kann. Je mehr Oberfläche dem Kühlkörper zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht, desto mehr Leistung wird von den elektronischen Bauelementen aufgenommen an die Umgebungsluft abgeführt.

Dieses Prinzip funktioniert, sofern zwischen der freien und der erzwungenen Konvektion unterschieden wird, auch gleichfalls die physikalischen Restriktionen beachtet werden. Lamellenkühlkörper können aufgrund des Fertigungsverfahren mit einem Zungenverhältnis von bis zu 40:1 und höher hergestellt und individuell auf die kundenspezifischen Erfordernisse sowie Applikationen adaptiert werden. Bonded Fin Kühlkörper und die damit verbundene hohe Rippendichte, die volumetrisch größere Oberfläche, sorgen für mehr Effizienz bei Anwendungen mit hoher Leistung unter erzwungener Konvektion.

Vielseitige Einsatzgebiete

Auch im Bereich der LED-Technik beziehungsweise zu deren Entwärmung, finden Lamellenkühlkörper in runder Formgebung ihren Einsatz. Zur Aufnahme der einzelnen LED oder des gesamten LED-Moduls dient ein Vollkern aus Aluminiummaterial. Der Aufnahmekern in einer runden Formgebung, enthält umlaufend an den Außenflächen ebenfalls die bereits angesprochene Nutgeometrie, in die mittels der Press- und Klebeverbindung Aluminiumbleche zur Wärmeableitung eingebracht sind. Der Gesamtaufbau des Lamellenkühlkörpers, also der Kerndurchmesser zur LED-Aufnahme, die Blechanzahl, -dicke und -geometrie, kann je nach Kundenvorgabe oder Größe des LED-Moduls angepasst werden. Die Lamellenkühlkörper mit umlaufenden Blechrippen liefern des Weiteren einen Gewichtsvorteil gegenüber massiven LED-Kühlkörpern als Strangpressprofil.

Aufgrund der Stabilität, aber auch der Press- und Klebverbindung, sind Lamellenkühlkörper für manche Applikationen nicht geeignet oder zulässig. Gründe hierfür liegen unter anderen in der Oberflächenbeschichtung, da für besonders kritische Anwendungen wie in der Medizintechnik oder an Einbauorten mit hoher Luftfeuchtigkeit, der zusätzlich verwendete Wärmeleitkleber als Barriere wirkt.

Kühlkörpereffizienz steigern

Neuartige innovative Fertigungsverfahren führen zu weiteren vorteilhaften Designmöglichkeiten in Punkto der Kühlkörpereffizienz. Somit besteht die Möglichkeit Lamellenkühlkörper mit einem sehr engen Zungenverhältnis aus Aluminiumvollmaterial zu fertigen, somit ohne zusätzliche Einpresstechnik und Kleber. Gerade im Wärmeübergangsbereich zwischen den Rippen und dem Kühlkörperboden wird eine deutliche Effizienzsteigerung erzielt. Der heutige Stand der Technik ermöglicht Kühlkörperbreiten bis maximal 250 mm mit einer wählbaren Bodenstärke von 4 bis 20 mm.

Bei einer minimalen Rippenstärke von 0,8 mm kann der Kunde zwischen einem Rippenabstand von 2 bis 5 mm entscheiden. Abzüglich der Stärke des Kühlkörperbodens beträgt die maximale Rippenhöhe 38 mm, wobei die maximale Kühlkörperlänge auf 1500 mm festgelegt ist. Zusätzliche mechanische Bearbeitungen der Lamellenkühlkörper aus Vollmaterial, Oberflächenbeschichtungen sowie andere Abmessungen, sind nach eingehender Machbarkeitsprüfung ebenfalls nach kundenspezifischen Bedürfnissen und Einbaubedingungen individuell realisierbar.

Bildergalerie

  • Im Strangpressverfahren nicht herstellbare engmaschige Kühlprofile können mit gewissen Restriktionen aus Vollmaterial produziert werden.

    Bild: Fischer Elektronik

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