Coole Lösung

Industrieelektronik

Kühlkörper – Leistungsfähige Elektronik-Bauelemente müssen wirksam gekühlt werden. Entscheidend für die Konstruktion von Kühlkörpern sind stets auch mechanische Kriterien.

30. März 2012

Ein entscheidender Faktor für die einwandfreie und langlebige Funktion elektronischer Bauelemente ist ein effektives thermisches Management zur Entwärmung der Bauelemente. Meist geschieht dies mit Hilfe von Kühlkörpern aus Aluminium-Strangpressprofilen, die wärmeleitend mit der zu kühlenden elektronischen Komponente verbunden werden und die thermische Energie des Bauteils über das Prinzip der Oberflächenvergrößerung an die Umgebungsluft abgeben. Wenn dabei je nach Applikation und Wärmemenge die freie Konvektion nicht zur Abfuhr der Wärme genügt, kommen zusätzliche Ventilatoren zum Einsatz.

Wichtiger Wärmeübergang

Einen wesentlichen Anteil an der sicheren Funktion des Kühlkörpers haben jedoch auch mechanische Gegebenheiten sowie die Bearbeitung für eine geeignete Montage des Kühlelements auf dem Bauteil. Der wichtigste Faktor ist dabei immer der optimale Wärmeübergang. Großen Einfluss auf die geometrische Gestaltung der Kühlkörper hat dabei deren Herstellungsweise. So lassen sich mit Stanz-Biegeteilen aus Aluminium- oder Kupferblech, den sogenannten Board-Level-Kühlkörpern, Toleranzabweichungen wesentlich einfacher auffangen als mit Strangpressprofilen. Für eine thermisch optimierte Montagefläche mit Unebenheiten unter 0,1 Millimeter genügt es hier oft, entsprechende Parameter an der Maschine anzupassen oder notfalls das Werkzeug zu korrigieren.

Genormte Qualität

Andere Verhältnisse herrschen beim Einsatz von Kühlkörpern, die im Extrusionsverfahren hergestellt werden, weil das Herstellungsverfahren und die dadurch erreichbaren Toleranzfelder internationalen Normen unterliegen. Zudem ist der Kühlkörper oft eine im Gerät verbaute Komponente, die immer in Zusammenhang mit anderen Bauteilen gesehen werden muss. Als Kühlkörpermaterial in der Elektronik werden am häufigsten die Legierungen ENAW6060 und 6063 verwendet. Die maximalen Presstoleranzen regeln die Normen DIN EN 12020 und DIN EN 755 für Kühlkörperprofile mit einem umschreibenden Kreis bis 300 Millimeter bzw. über 300 Millimeter.

Eben durch Fräsen

Erheblich erschwert wird eine optimale wärmetechnische Kontaktierung elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper oft aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung. Je nach Applikation und Einbaubedingungen sollten zudem die Winkelabweichung und die Planparallelität der Kühlkörper Berücksichtigung finden. Da ein guter Wärmeübergang etwa bei großen IGBT-Modulen häufig Ebenheitstoleranzen von weniger als 0,02 Millimeter erfordert, lassen sich solche Kühlkörper ohne mechanische Nacharbeit nicht herstellen.

Eine besondere Güte der Montageflächen der Kühlkörper lässt sich durch eine fräsende Bearbeitung erreichen. Zu beachten ist dabei jedoch neben der geforderten Planebenheit, dass im Montagebereich des zu entwärmenden Bauteils keine Fräskanten oder Fräsabsätze entstehen, weil die Kühlkörperbodenfläche breiter bzw. größer ist als die verwendeten Fräswerkzeuge. Um dieses zu vermeiden, sollten spezifische Angaben über den Montagebereich (Position, Bauteilgröße, Ebenheit) schon bei der Zeichnungserstellung berücksichtigt werden.

Eine Analyse wert ist zudem auch die Positionierung der Befestigungsbohrungen für die Montage der elektronischen Bauelemente. Hier machen die Halbleiterhersteller oft Vorgaben zum Anzugsdrehmoment der Schraubbefestigung, die sich aber je nach verwendeter Aluminiumlegierung nicht immer einfach umsetzen lassen. Zudem lassen sich bei zu dünner Bodenstärke keine DIN-gerechten Gewindetiefen in den Kühlkörperboden einbringen. Wo sich die Vorgaben auch bei dickeren Bodenstärken materialbedingt nicht einhalten lassen, ermöglichen spezielle Drahtform-Gewindeeinsätze (Helicoil), die in den Grundkörper eingesetzt werden, ein stark belastbares Normgewinde mit hohen Scherfestigkeiten.

Oberflächen mit Funktionalität

Ein wichtiges Kriterium bei der richtigen Auswahl eines Kühlkörpers kann neben den mechanischen Gegebenheiten auch die Oberflächenbeschaffenheit sein. Dabei schließen ein dekoratives äußeres Erscheinungsbild und wärmetechnische Relevanz einander nicht unbedingt aus. Zudem beeinflussen beispielsweise die Anforderungen an den Korrosionsschutz eines Kühlkörpers den Wirkungsgrad der Wärmeableitung nicht unerheblich.

So besitzen Aluminiumkühlkörper mit eloxierten Oberflächen, unabhängig von ihrer Einfärbung, neben der bekannten Korrosionsschutzwirkung eine Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich, die die Wärmeableitung des Kühlkörpers bei freier Konvektion um etwa acht bis zehn Prozent verbessert. Da die Eloxalschicht als solche jedoch einen im Vergleich zu Aluminium zehnfach geringeren Wärmeleitwert besitzt, kann es für spezielle Applikationen durchaus sinnvoll sein, die Eloxalschicht zur Reduzierung des thermischen Übergangswiderstandes im Kontaktbereich nach dem Anodisieren frästechnisch zu entfernen.

Auf einen Blick

-Die Fischer Elektronik GmbH & Co. KG in Lüdenscheid ist ein führender Hersteller von Komponenten für die Elektronikindustrie.

-Das Unternehmen entwickelt und produziert unter anderem Kühlkörper und Konzepte für die Halbleiterentwärmung.

-Daneben umfasst das Portfolio beispielsweise Steckverbinder, Leiterplattenhalter, optoelektronische Bauteile und Gehäusetechnik.

Erschienen in Ausgabe: 02/2012