Chillout Area

Leistungselektronik ist ein wichtiger Teil einer Anlage. Und die wird richtig heiß. Darum haben Hersteller von Kühltechnik mit Flüssigkeiten viel Raum zur Entfaltung.

08. Dezember 2011

Leistungselektronik verursacht Wärme. Diesem Gesetz kann sich kein Entwickler entziehen, und ein Wirkungsgrad von 100 Prozent wird noch lange Wunschdenken bleiben. Außerdem geht der Trend zu immer höheren Leistungen auf eingeschränktem Raum, vor allem bei der Herstellung von Halbleitern.

Kühlen ist darum die Devise. Am effizientesten geht das mit Flüssigkeiten, zudem entsteht dabei kaum Lärm und Schmutz im Vergleich zur Luftkühlung. Aber Wasserkühlung ist nicht gleich Wasserkühlung, in der Industrie sind viele Technologien im Einsatz. Welche bietet zum Beispiel das Unternehmen Mersen aus Frankreich?

Kupfer und Edelstahl

Weit verbreitet ist das Einsetzen von Kupferrohren in Aluminiumplatten. Parallele Nuten mit U-förmigem Querschnitt nehmen ein schlangenförmig vorgebogenes Kupferrohr auf, das an der Plattenoberfläche flach gepresst wird. Ein spezieller Klebstoff in den Nuten verhindert Luftspalte zwischen Rohr und Platte und das Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebung.

Solche Kühllösungen sind kostengünstig und bei entsprechender Positionierung des Bauelementes wird der direkte Wärmeübergang zum wassergekühlten Kupferrohr gewährleistet. Andererseits ist der Anwender durch die relativ großen Biegeradien der Rohrmäander eingeschränkt, die Kühlplatte braucht darum recht viel Platz in der Anlage, Montagebohrungen lassen sich nicht überall setzen.

Für spezielle Anwendungen mit korrosiven Flüssigkeiten können anstatt der Kupferrohre auch Rohre aus Edelstahl eingesetzt werden. Die gute chemische Beständigkeit dieser Rohre bezahlt man allerdings mit schlechterer Kühlwirkung, da die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl wesentlich unter der von Aluminium und Kupfer liegt.

Soll eine Kühlplatte beidseitig mit Bauelementen bestückt werden, ist eine symmetrische Kühlwirkung erstrebenswert. Dazu wird eine Aluminiumplatte längs durchbohrt, dort hinein Kupferrohre eingeschoben und diese mit der Platte verpresst. Ein spezielles Schmiermittel zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen beugt Korrosion vor. An den Rohrenden müssen Umlenkbögen oder Sammelkanäle angelötet werden, die jedenfalls außerhalb der Kühlplatte liegen.

Flexibel mit Aluminium

Eine Konstruktion mit gefrästen Wasserkanälen bietet sich an, um den Kühlkreislauf optimal auf die Position der Bauelemente und die thermischen Anforderungen abzustimmen. Der Anwender ist bei dieser Lösung sehr flexibel, denn er kann mehrere Bauelemente, einseitig oder beidseitig, beliebig auf einer Kühlplatte anordnen. Dabei kommen verschiedene Designs von Kühlkanälen zum Einsatz, um je nach Anwendung die thermischen und hydrodynamischen Eigenschaften zu optimieren.

Mit speziell entwickelten Berechnungs- und Simulationsprogrammen werden bei Mersen Temperaturen, Flüssigkeitsdurchsatz, Strömungsquerschnitte und Kanalführung genau aufeinander abgestimmt. So werden eine bestmögliche Strömungsgeschwindigkeit, ein niedriger Druckabfall und ausreichende, aber nicht zu starke Turbulenzen in der Kühlflüssigkeit erreicht. Als Ergebnis steht eine bestmögliche Kühlung unter Berücksichtigung von elektrischen und mechanischen Erfordernissen.

Dicht und fest

Auf die Basisplatte kommt ein Deckel, um die Kühlkanäle zu schließen. Eine feste und sichere Abdichtung ist unbedingt erforderlich. Mersen setzt dabei seit vielen Jahren auf das Vakuumhartlötverfahren. Der Deckel besteht aus einem Grundteil und einer dünnen Lötplatte aus Aluminium, die beidseitig mit einer Aluminiumlegierung mit niedrigerem Schmelzpunkt plattiert ist.

Sie liegt zwischen der Basisplatte und der Deckelplatte. Das ganze Paket landet in einem Vakuumofen, in dem die Beschichtung der Lötplatte zum Schmelzen gebracht wird. Dabei entsteht eine homogene Verbindung zwischen Bodenplatte, Lötplatte und Deckel. Die so hergestellten Kühlplatten besitzen einen sehr guten Wärmeübergang auf beiden Seiten des Kühlkreislaufes, was sie für eine beidseitige Bestückung prädestiniert.

Der hartgelötete Verbund ist zu 100 Prozent dicht, nicht nur nach außen, sondern auch zwischen den Wasserkanälen. Auf diese Weise hat das System auch eine hohe mechanische Festigkeit und die Kühlplatte kann gleichzeitig als Träger für die Komponenten und weitere Konstruktionselemente eingesetzt werden. Der Einsatz in Presspack-Anordnungen, bei denen sehr hohe Spannkräfte zur Anwendung kommen, ist ebenfalls möglich. Selbst bei extremem Druck im Kühlkreislauf wölbt sich der Deckel nicht, was in der Regel zur Zerstörung der elektronischen Komponenten führen würde.

Zum Anschluss an den Wasserkreislauf können unterschiedlichste Anschlusstücke, meist aus Edelstahl, in die Kühlplatte eingesetzt werden. Die Einbaurichtung und -position kann beliebig gewählt werden. Für servicefreundliche Anwendungen haben sich Schnellkupplungen bewährt, die den Austausch ganzer Baugruppen in wenigen Minuten ermöglichen.

Das Vakuumhartlötverfahren funktioniert auch mit einem Stapel speziell gestanzter Gitterbleche aus dem Lötplattenmaterial. So entsteht eine Kühldose in Stanzblechtechnologie, die zur Kühlung einzelner Elektronikbauteile eingesetzt wird.

Kupferkühlplatten bieten dank der besseren Wärmeleitfähigkeit von Kupfer gegenüber Aluminium eine bessere Temperaturspreizung in der Platte und einen besseren Wärmeübergang. Allerdings sind solche Kühllösungen schwerer und teurer aufgrund des höheren Preises für das Rohmaterial Kupfer. Zudem ist das rote Metall weniger gut zu bearbeiten.

Egal welche Lösung zum Einsatz kommt, wichtig ist immer eine frühe Koordination der elektronischen und mechanischen Entwicklung mit dem Kühlplattenhersteller. Ein perfektes Zusammenspiel zwischen Kühlplatte und dem Rückkühlungssystem sowie die Möglichkeit, beides aus einer Hand zu beziehen, vermeidet unliebsame Überraschungen im praktischen Einsatz.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2011