Wärme-Management mit Hochleistungskühlkörpern

Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Gerd Kucera

Das nicht optimale Wärme-Management ist mehrheitlich die Ursache eines Re-Designs in der Elektronik-Entwicklung. Zur Ableitung der Verlustenergie sind Kühlkörper Pflicht und der erste Lösungsschritt.

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Bild 1: Klassische Strangkühlkörperlösungen werden vielfach als effiziente Entwärmungslösung eingesetzt.
Bild 1: Klassische Strangkühlkörperlösungen werden vielfach als effiziente Entwärmungslösung eingesetzt.
(Bild: Fischer Elektronik)

Eine langlebige und sichere Funktion elektronischer Bauelemente erfordern wirkungsvolles thermisches Management, um deren Temperaturhaushalt gemäß technischer Vorgaben zu regeln. Temperaturschwankungen bzw. Abweichungen eines spezifischen Temperaturbereichs haben einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer und Funktion des Bauteils. Je 10 °C Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebensdauer des Leistungshalbleiters.

Zur Vermeidung dieser unerwünschten Situation kommen Strangkühlkörper aus Aluminium (Bild 1) zur Ableitung der Verlustwärme von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen zum Einsatz. Klassische Strangkühlkörper, auch einfach Kühlkörper genannt und in der Fachsprache als Wärmesenke bezeichnet, werden wärmeleitend mit dem zu entwärmenden Bauteil in Kontakt gebracht.

Der Begriff Kühlkörper assoziiert, dass dieser etwas kühlt, ähnlich wie ein Kühlschrank oder Klimagerät. Dieses ist allerdings nicht der Fall, da Kühlkörper lediglich nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung funktionieren. Der Kühlkörper nimmt also die thermische Energie des zu kühlenden Bauteils auf und leitet diese über die Rippenstruktur (vergrößerte Oberfläche) an die Umgebung ab. Gemäß physikalischen Gesetzen erfolgt der Wärmefluss in Richtung der geringeren Temperatur, also vom warmen (Bauteil) zum kälteren Körper (Kühlkörper).

In Summe liefern verschiedenartige auf die Applikation angepasste Kühlkörperlösungen, auch in Verbindung mit einer zusätzlichen Luftströmung, sehr gute Lösungsmöglichkeiten der Bauteilentwärmung. Abgesehen von den thermischen Anforderungen, sind bei der richtigen Kühlkörperauswahl stets auch die mechanischen Gegebenheiten und Belange zwingend zu berücksichtigen.

Hochleistungskühlkörper für große Verlustleistungen

Klassische Strangkühlkörper, welche im Extrusionsverfahren hergestellt werden, sind aufgrund der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Aluminiummaterials und dessen Festigkeit, dem dazugehörigen Preis in Relation zum Wärmeableitvermögen, für vielzählige Entwärmungsaufgaben das Mittel der Wahl. Strangkühlkörper bestehen aus sogenannten Knetlegierungen, die in erwärmter Form durch eine Werkzeugmatrize mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ gepresst werden. Die verwendeten Legierungen enthalten überwiegend Aluminium, Magnesium und Silizium und werden in Europa als so genannte EN-AW-Legierung bezeichnet (EN=Europäische Norm, AW=Aluminium Wrought).

Aufgrund des Herstellungsverfahrens des Strangpressens sind Kühlkörperprofile allerdings auch mit verschiedenen Toleranzen behaftet, was leider seitens der Anwender oftmals nicht berücksichtigt wird. In der Regel gilt für Kühlkörperprofile mit einem umschreibenden Kreis von ≤350 mm die Presstoleranz nach der DIN EN 12020, die DIN EN 755 findet Anwendung für Profile mit einem umschreibenden Kreis >350 mm. Zu den Toleranzen eines Kühlkörperprofils kann grundsätzlich festgehalten werden, dass je größer die Abmessungen des Profils sind, desto größer ebenfalls die dazugehörigen Toleranzen und Abweichungen der Sollmaße ausfallen.

Oftmals erfordern elektronische Bauelemente, wie IGBTs oder Halbleiter-Relais, aufgrund ihrer anfallenden Verlustleistung vom Volumen her größere Kühlkörperlösungen. Die Leistungsfähigkeit üblicher Strangkühlkörper ist nicht mehr ausreichend, um die aufgenommene Wärme der Bauteile an die Umgebung abzugeben. Lediglich durch den Einsatz von speziellen Hochleistungskühlkörpern (Bild 2), kann die Wärmeabfuhr bei einer passiven Entwärmung noch gesteigert werden.

Bild 2: Hochleistungskühlkörper bestehen aus einer U-förmigen oder geraden Basis und können je nach Applikation mit einer Voll- oder Hohlrippe ausgestattet werden.
Bild 2: Hochleistungskühlkörper bestehen aus einer U-förmigen oder geraden Basis und können je nach Applikation mit einer Voll- oder Hohlrippe ausgestattet werden.
(Bild: Fischer Elektronik)

Aufgrund des Volumens bzw. der Abmessungen und deren Komplexität, lassen sich Hochleistungskühlkörper allerdings nicht komplett in einem Stück nach dem beschriebenen Extrusionsverfahren pressen. Daher besteht ein Hochleistungskühlkörper aus mehreren Elementen. Die Basis bildet eine gerade oder U-förmige Basisplatte, welche eine spezielle Einpressgeometrie enthält. In diese Einpresszone werden nun, je nach Applikation, Voll- oder Hohlrippen aus Aluminium eingepresst. Die einzelnen stranggepressten Rippenformen sind mittels einer speziellen Werkzeug- und Verarbeitungstechnik dann formschlüssig und optimal wärmeleitend mit dem jeweiligen Bodenprofil verpresst.

Der erwähnte Boden der jeweiligen Basisplatte dient gleichzeitig als Halbleitermontagefläche und gewährleistet aufgrund seiner Materialstärke von 15 bis 20 mm mittels angepasster Aufnahmegewinde eine solide Befestigung der Leistungshalbleiter. Darüber hinaus führen die eingesetzten Bodenplatten aus wärmetechnischer Sicht aufgrund ihrer Materialstärke zu einer besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers.

Eine optimale wärmetechnische Montage der zu entwärmenden Leistungshalbleiter auf dem Hochleistungskühlkörper gestaltet sich allerdings aufgrund der Profiltoleranzen als nicht so einfach wie beschrieben. Für eine sichere Anbindung und mit einem guten Wärmeübergang, beispielsweise für große IGBT-Module, bereitet die Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung einige Probleme. In den Datenblättern der Halbleiterhersteller sind häufig Ebenheiten der Montagefläche von <0,02 mm gefordert, die aber ohne jegliche mechanische Nacharbeit des Montagebereichs presstechnisch nicht herzustellen sind. Hinzukommend sollten, je nach Applikation und Einbaubedingungen, ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Abhilfe ist allerdings durch eine genaue Zeichnungsspezifikation der Montagebereiche gegeben.

Bild 3: Unterschiedliche Abmessungen ermöglichen den Einsatz von Hochleistungskühlkörpern auch bzw. gerade bei größeren abzuführenden Verlustleistungen.
Bild 3: Unterschiedliche Abmessungen ermöglichen den Einsatz von Hochleistungskühlkörpern auch bzw. gerade bei größeren abzuführenden Verlustleistungen.
(Bild: Fischer Elektronik)

Kühlkörperhersteller besitzen spezielle Fertigungsmaschinen sowie Bearbeitungswerkzeuge und können damit Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit sehr gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung erreichen. Ein weiterer gravierender Unterschied zwischen Hochleistungskühlkörpern und konventionellen Strangkühlköpern ist durch die fertigbare Kühlkörperbreite gegeben (Bild 3). Diese liegen beim Hochleistungskühlköpern deutlich über denen von normalen Profilen. Profile mit eingepresster Vollrippengeometrie beginnen bei einer Kühlkörperbreite von 300 mm und enden bei einer Breite von 750 mm mit einer jeweiligen Rippenhöhe von 83,5 mm. Im Gegensatz dazu beginnen Profile mit einer eingepressten Hohlrippe ab 165 mm und enden bei einer Gesamtbreite von 500 mm, wobei die Rippenhöhen u.a. nach Kundenvorgaben angepasst werden können. Unterschiedliche Längenabmessungen sind relativ einfach per Sägeschnitt nach kundenspezifischen Vorgaben anzufertigen.

Zusätzliche Luft erhöht den Wirkungsgrad

Die genannten Hochleistungskühlkörper sind neben der Anwendung zur freien Konvektion auch für die forcierte Konvektion erhältlich. Diese bestehen ebenfalls aus einem Grundprofil, in das allerdings anstatt einer Vollrippe eine Hohlrippe eingepresst wird. Erfordert die Entwärmungsaufgabe eine größere abzuführende Wärmemenge, dann bieten sich Hochleistungskühlkörper mit eingepresster Hohlrippengeometrie an. Hochleistungskühlkörper mit einer Hohlrippengeometrie sind allerdings nur dann sinnvoll einzusetzen, wenn zusätzliche Luftströmungen in der Applikation vorhanden sind oder zusätzlich angebrachte Lüftermotoren einen Luftstrom durch den Rippentunnel leiten.

Der bereits angesprochene Rippentunnel entsteht bei Hochleistungskühlkörpern mit einer Hohlrippengeometrie, beispielsweise durch den Einsatz eines Deckbleches, welches von oben auf die Rippenstruktur befestigt wird und somit den Kühlkörper nach oben abschließt. Diese Art der Kühlkörperaufbauten eignet sich besonders für den Einsatz von Axial-, Radial- und Tangential-Lüftermotoren, also ausschließlich für die erzwungene Konvektion.

Bild 4: Lüfteraggregate in verschiedenen Ausführungen sind in der Praxis etabliert und erprobt; 
sie liefern darüber hinaus kleinste Wärmewiderstände.
Bild 4: Lüfteraggregate in verschiedenen Ausführungen sind in der Praxis etabliert und erprobt; 
sie liefern darüber hinaus kleinste Wärmewiderstände.
(Bild: Fischer Elektronik)

Die Kombination eines Hochleistungskühlkörpers mit Hohlrippenstruktur und einem stirnseitig direkt befestigten Lüftermotor, wird auch als Lüfteraggregat bezeichnet (Bild 4). Lüfteraggregate zeichnen sich durch kleinste Wärmewiderstände und einem sehr guten thermischen Wirkungsgrad aus. Die verwendeten Lüftermotoren sind jeweils hinsichtlich Volumenstrom und Staudruck auf die Hohlrippengeometrie abgestimmt, d.h. die Lüfterleistung wirkt dem entstehenden Staudruck entgegen und die Luftfördermenge wird über die gesamte Länge des Lüfteraggregates transportiert. Häufig werden Axiallüftermotoren in der Kombination mit Hohlrippenprofilen eingesetzt. Sollte die hierdurch zu erzielende abzuführende Verlustleistung nicht ausreichend sein, so ist auf gleicher Basis eine Leistungssteigerung durch Diagonal- oder großvolumige Radiallüftermotoren bzw. -gebläse zu erzielen. Je nach Ausführung und Größe des Aggregates erreichen Luftfördermengen von bis zu 1400 m³/h geringste Wärmewiderstände unter 0,015 K/W, welche bereits in den Regionen einer Flüssigkeitskühlung vorzufinden sind.

Verschiedenartige und jeweils an die Entwärmungsaufgabe angepasste Lüfteraggregate sind in der Leistungselektronik etabliert und werden vielfach eingesetzt. Die Erfordernisse des thermischen Managements müssen immer wieder neu auf die Trends in der Elektronik abgestimmt werden. Besonders die schnellen Entwicklungszyklen, zunehmende Produktvielfalt, geringer werdende Produktionsmengen und zunehmende Produktkomplexität lassen wenig Zeit für individuelle Lösungen. Standards sind mehr und mehr gefragt, weshalb die Angebote an Lüfteraggregaten sehr umfangreich und differenziert sind.

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid.

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