Hochleistungskühlkörper zur Kühlung elektronischer Bauteile im Bereich Industrie 4.0

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.

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.

Hartgelötete Hochleistungskühlkörper bieten dieselben technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind aber bis zu 40 % leichter und kompakter. Denn anders als bei herkömmlichen Kühlkörpern in Modulbauweise, bei denen die einzelnen Elemente verklebt oder kaltgeschweißt werden, treten bei hartgelöteten Kühlkörpern keine mechanischen oder thermischen Lücken an der Basis der Kühlrippen beziehungsweise zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf. Denn beim Hartverlöten wird die Molekularstruktur der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt. Das Ergebnis: Minimalste Übergangswiderstände.

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

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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:

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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