Kühllösungen für die Antriebs- und Automatisierungstechnik

Beim Extrusionsverfahren wird das Metall – in der Regel eine Aluminiumstranggusslegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK – durch ein spezielles Extrusionswerkzeug, die Matrize, gepresst. Die individuelle Gestaltung des Werkzeugs gibt das Kühlkörperdesign vor. Einmal angefertigt, können auf diese Weise mit einer Matrize beliebig viele Kühlkörper produziert werden. Daher überzeugen Extrusionskühlkörper nicht nur mit einer hohen Leistung, sondern auch mit besonders niedrigen Stückkosten.

Standardausführung oder anwendungsspezifische Kühllösung

CTX bietet klassische Rippenkühlkörper in den unterschiedlichsten Geometrien und Varianten an. Zum Standard zählen Lamellen-, Kammprofil- und Fingerkühlkörper sowie Kleinstkühlkörper

Optimierung durch CNC-Bearbeitung und Oberflächenveredelung

Eine nachträgliche CNC-Bearbeitung nach Zeichnungsvorgabe gleicht die unvermeidlichen Toleranzabweichung bei Strangguss aus. Sie führt damit zu einem besseren Kontakt zwischen der elektronischen Komponente und dem Kühlkörper. Der Wärmeübergangswiderstand verringert sich und die Wärmeleitung wird optimiert. Die Oberflächenveredelung durch Eloxierung, Pulverbeschichtung, Chromatierung oder Lackierung dient dem Korrosionsschutz.

Elektronische Systeme mit Bauhöhen unter 30 mm, allen voran industrielle Computer mit besonders kleinen Gehäusen (small form factor systems), stellen besonders hohe Anforderungen an die spezifische Leistungsdichte eines Kühlkörpers. Typische Kühllösungen für diesen Anwendungsfall sind Skived Fin Kühlkörper. Bei ihnen werden die Kühlrippen aus einem Aluminium- oder Kupferblock herausgeschabt. Diese spezielle Fertigungstechnik erlaubt besonders feine Rippen und eine hohe Rippendichte. Zudem sind die einzelnen Lamellen bei dieser Herstellungsmethode übergangslos mit der Kühlkörperbasis verbunden – ganz ohne die thermischen Widerstände, die unvermeidlich bei Löt-, Kleb- oder Pressverbindungen auftreten.

Skived Fin Kühlkörper werden aufgrund ihrer hohen Kühlwirkung vor allem als CPU-Kühler in Serveranlagen eingesetzt – in der Regel als aktive Kühllösung in Kombination mit Systemlüftern, die für einen forcierten Luftstrom sorgen. Da die Werkzeugkosten vergleichsweise gering ausfallen, eignet sich dieses Verfahren auch für Serien mit geringen Stückzahlen.

Crimped Kühlkörper sind besonders leistungsstark, kompakt und vielseitig einsetzbar. Sie bestehen aus einer Kupfer- oder Aluminiumbodenplatte, in die die einzelnen Kühlrippen in einem rein mechanischen Verfahren eingepresst werden. Typisch ist die Kombination einer Kühlkörperbasis aus Kupfer mit eingepressten Aluminiumrippen. Bei dieser Verbindung ist ein optimales Verhältnis von Kühlkörpergewicht, -größe und Kühlleistung gegeben. Gleichzeitig bleiben die Wärmewiderstände aufgrund der thermischen Spreizwirkung der Kupferplatte sehr klein.

Zusätzlich kann die spezifische Kühlleistung der Crimped Fins durch die Verwendung von Aluminiumrippen mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur bei gleicher Grundfläche und Rippengeometrie des Kühlkörpers variiert werden. So steigt die Kühlwirkung mit zunehmender Rippenoberfläche – von glatten über geriffelte bis hin zu gestanzten Kühlrippen.

Bei gebondeten Hochleistungskühlkörpern werden die Rippen in die Rillen der Kühlkörperbasis geklebt oder (hart)gelötet. Auf diese Weise lässt sich eine höhere Lamellendichte bei gleichzeitig größerem Lamellen-Seiten-Verhältnis und damit eine deutlich größere Oberfläche realisieren als bei herkömmlichen extrudierten Kühlkörpern. Folgerichtig sind Bonded Fins wesentlich leistungsstärker als Profilkühlkörper mit den gleichen Außenabmessungen.

Die Fertigung der gerillten Bodenplatte des Kühlkörpers erfolgt wahlweise durch Extrusion, Druckguss oder mechanische Bearbeitung (Fräsen oder Schaben). Bei Bedarf können zusätzlich Heatpipes, Dampfkammern oder gekapselte Graphit-Wärmespreizer integriert werden.

Die Kühlkörperrippen werden entweder aus Spulenmaterial gestanzt oder aus dünnem Blechmaterial geschnitten, und in die Bodennuten eingesetzt. Für die Verbindung zwischen Bodenplatte und Lamellen sorgt besonders wärmeleitendes Epoxidharz oder (Hart)Löten. Dabei wird durch Hartlöten die beste thermische Leistung erreicht.

Das Druckgussverfahren erlaubt die Fertigung von Kühlkörpern und Elektronikgehäusen in vielen unterschiedlichen Größen und Formen. Trotz anfallender Werkzeugkosten stellt das Verfahren schon bei der Kleinserienfertigung eine wirtschaftliche Lösung dar.
Bei der Gestaltung des Gusswerkzeugs lassen sich auch anspruchsvolle anwendungsspezifische Kühlkörpergeometrien berücksichtigen. Sind sehr große Stückzahlen gefordert, kann mithilfe eines Werkzeugs, das mehrere Kavitäten aufweist, eine große Anzahl von Kühlkörpern gefertigt werden, was zur Senkung der Stückkosten führt.
Weiterer Vorteil des Druckguss-Verfahrens: Eine kostspielige CNC-Nachbearbeitung ist nur an Stellen mit besonders hohen Oberflächenanforderungen erforderlich.

Heatpipes gehören zu den effizientesten Wärmeübertragern, weil sie zum Wärmetransport Verdampfungs- und Kondensationswärme nutzen und dadurch hohe Wärmemengen bei minimaler Temperaturdifferenz transportieren. Dabei ist die effektive Wärmeleitfähigkeit abhängig von der Länge und dem Durchmesser des Rohrs, das meistens aus Kupfer besteht und auf der Innenseite eine Kapillarstruktur aufweist. Heatpipes lassen sich leicht verformen und sind daher flexibel einsetzbar, sowohl in beengten Einbausituationen als auch bei Wärmeableitung über weitere Distanzen. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden Heatpipes beispielsweise zur Kühlung von CPUs, Grafikkarten, LED-Modulen und Elektronikkomponenten in Fahrzeugen eingesetzt.

Vorteile:

Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Geräte und damit der Platinen enthalten SMD-Bauteile neben der Logikschaltung zunehmend auch Ansteuerungen und Leistungsteile. Diese entwickeln im Betrieb viel Wärme, die schnellst möglich abgeführt werden muss, um die Funktionsfähigkeit der Leiterplatte zu erhalten.

Eine ideale Kühllösung sind gestanzte Niedrigprofil-SMD-Kühlkörper aus Aluminium mit abgespreizten Flügelflächen. Diese eignen sich dank ihrer geringen Bauhöhe besonders für die gängigen kompakten Halbleitergehäuse D-PAK (TO-252), D²PAK (TO-263) und D³PAK (TO-268).

Alternativ dazu bieten sich oberflächenmontierte SMD-Kühlkörper aus schwarzeloxiertem Aluminiumstrangguss an, die im Design an die jeweilige Leiterplatte angepasst werden. Sie sind so leicht, dass sie in der Regel ohne Probleme mithilfe von doppelseitigen, wärmeleitenden Klebefolien oder Zweikomponentenkleber direkt auf das Bauteil aufgebracht werden können. Ausgerüstet mit einer lötfähigen Beschichtung lassen sich die stranggepressten SMD-Kühlkörper ebenso wie die gestanzten Niedrigprofil-SMD-Kühlkörper direkt auf die Leiterplatte löten. Eine weitere Befestigungsmöglichkeit, die sich speziell bei höheren Verlustleistungen anbietet, ist die Montage über Federclips oder Schraubverbindungen.

CTX bietet alle SMD-Kühlkörper als Tape+Reel verpackt für die automatische Bestückung sowie auf Wunsch auch als Schüttgut für die manuelle Montage an. Auch anwendungsspezifische Ausführungen sind lieferbar.

Kühlkörper für die Leistungselektronik werden zunehmend mittels Reibrührschweißen (engl.: Friction Stir Welding, kurz FSW) gefertigt. Das innovative Kaltschweißverfahren wird zur Verbindung mehrerer Kühlkörperbasismodule eingesetzt. So können große Kühlkörperbreiten bei gleichzeitig großer Rippenhöhe erreicht werden. Es ist eine recht junge Technologie, die erst 1991 erfunden wurde, und eignet sich speziell für die Herstellung von Kühlkörpern aus Aluminium.

Beim Reibrührschweißen erzeugt ein verschleißfestes, rotierendes Werkzeug so viel Wärme und Druck, dass die erwärmten Materialien quasi miteinander verrührt werden. Die so entstehenden Schweißnähte sind hochfest, absolut dicht und besitzen eine optimale Wärmeleitfähigkeit. Da unterhalb der Schmelzpunkte der Werkstücke gearbeitet wird, kommt es zu keinerlei Veränderungen des Materialgefüges und zu lediglich marginalen Verzugserscheinungen.

Kaltfließgepresste Kühlkörper eignen sich damit hervorragend für die Kühlung von Hochleistungs-LEDs, können aber auch in zahlreichen anderen Anwendungen kleinere Aluminium-Druckguss-Kühlkörper ersetzen.

Erfahren Sie hier mehr über Kaltfließgepresste Kühlkörper!

Aktive und passive Kühlung mittels
Luft, Flüssigkeiten oder Heatpipes

Leistungsstarke Kühllösungen für eine
schnelle und effiziente Wärmeableitung

Anwendungsspezifische Kühllösungen
nach Kundenvorgaben

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