Entwärmung von Bauteilen Angepasste Strangkühlkörper – darauf müssen Sie achten

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Bei der Auswahl eines für die Applikation geeigneten Strangkühlkörpers sind neben der thermischen Performance herstellungsbedingte Aspekte zu beachten – und die damit verbundenen Toleranzen. Je nach Geometrie lassen sich die Toleranzvorgaben nicht unmittelbar einhalten – mechanische Nacharbeit ist gefragt.

In der Physik ist ein Kühlkörper eine Wärmesenke. Der reine Kühlkörper als Entwärmungskonzept ist oftmals eine in einem Gerät verbaute Komponente, welche stets im Zusammenspiel mit anderen Bauelementen der Funktionsbaugruppe gesehen und berücksichtigt werden muss.

Strangkühlkörper werden mittels des Extrusionsverfahrens hergestellt. Hierbei wird eine auf Temperaturen von ca. 470 bis 490 °C erwärmte Aluminiumlegierung in Bolzenform durch eine Werkzeugmatrize mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ gepresst (nebenstehendes Bild). Die verwendete Aluminiumlegierung enthält überwiegend die Legierungsbestandteile Magnesium und Silizium, wobei die Knetlegierung gemäß Europäischer Norm als EN AW (EN = Europäische Norm, AW = Aluminium Wrought) bezeichnet wird.

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Ebenfalls internationalen DIN-Normen unterliegen die beim Strangpressen zu prüfenden Toleranzfelder, welche sich stets aus der Größe des umschreibenden Kreises des Strangpressproduktes ergeben. Strangkühlkörper, welche einen umschreibenden Kreis von ≤ 350 mm besitzen, werden in der Fachsprache als Präzisionsprofil bezeichnet. Deren zulässige Abweichungen sind in der DIN EN 12020-2 spezifiziert.

DIN EN 755 legt Toleranzabweichungen fest

Toleranzabweichungen für Strangprofile mit einem umschreibenden Kreis von > 350 mm sind in der DIN EN 755 festgelegt. Je nach Größe und Beschaffenheit des gepressten Produktes können die auftretenden Toleranzen in einem Bereich von einigen Zehnteln bis zu einigen Millimetern liegen. Die jeweilige Beschaffenheit bzw. die Toleranz gebenden Aspekte setzen sich aus dem Verhältnis von Kühlkörperbreite, -höhe, -bodenstärke, der Rippendicke und den Rippenabständen zueinander zusammen.

Die Herstellung von Kühlkörpern im Strangpressverfahren ist mit herstellungsbedingten Toleranzen behaftet, welche in der Gesamtapplikation als Entwärmungskonzept seitens der Anwender berücksichtigt werden müssen. In Summe liefern strangpresste Kühlkörper aus Aluminium nichtsdestotrotz effiziente und preislich attraktive Möglichkeiten der Bauteilentwärmung.

Die relativ geringen Stück- und Profilwerkzeugkosten, die einfache Prototypenherstellung, die gute thermische Leitfähigkeit des Grundwerkstoffs, das relativ geringe Gewicht, der gute thermische Widerstand sowie die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Varianten sprechen deutlich für die Verwendung von Strangkühlkörpern als Entwärmungskonzept.

Welche Ansprüche werden an Strangkühlkörper gestellt?

Wie bereits angesprochen können die auftretenden Toleranzfelder von Strangkühlkörpern, je nach Geometrie und Materialanordnung, die Fertigungstoleranzen in Punkto Durchbiegung der Montageflächen, aber auch der Breiten- und Höhentoleranz erheblich sein und die Applikation maßgeblich beeinflussen. Sofern die vom Kunden gewünschten und für die Applikation notwendigen Toleranzangaben nicht herstellbar sind, erfolgt in der Regel zur Anpassung im Hause Fischer Elektronik eine mechanische CNC-Nachbearbeitung der Kühlkörperpro­file.

Zur Verdeutlichung der Problematik sei als Beispiel der klassische und wichtige Kühlkörperboden zu nennen. Dieser dient in den meisten kundenspezifischen Anwendungen als Montagefläche für die zu entwärmenden Halbleiter. Die optimale wärmetechnische Kontaktierung bzw. Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörperboden wird allerdings oftmals aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung (Bild 1) sowie deren Torsion in Längsrichtung deutlich erschwert.

Gemäß Herstellerangaben werden z.B. für große IGBT-Module nicht selten Ebenheiten für die Halbleitermontagefläche von <0,02 mm gefordert bzw. als Empfehlung ausgesprochen. Diese Ebenheitswerte sind allerdings aufgrund des beschriebenen Herstellungsverfahrens presstechnisch allein nicht umzusetzen.

Gewünschte Oberflächengüte per CNC-Fräse

Exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen liefern eine besondere Güte in Hinblick auf die Eben- und Rauheitswerte. Daher fertigt man mithilfe von modernen, effizienten und hochpräzisen CNC-Bearbeitungszentren die gewünschte Oberflächengüte nach Kundenvorgabe.

Die CNC-Nachbearbeitung bringt allerdings in der Praxis einige Herausforderungen mit sich und will ebenfalls gelernt sein. Im Montagebereich der Halbleiter dürfen aufgrund der Fräsarbeit keine Fräskanten oder -absätze entstehen. Häufig ist das der Fall, wenn die zur Verfügung stehende Kühlkörperbodenfläche größer ist als das verwendete Fräswerkzeug und somit die Gesamtfläche in mehreren kleineren Bahnen plan gefräst werden muss.

Die entstehenden und visuell sichtbaren Absatzkanten liegen im Tausendstel-, maximal im Hundertstel-Millimeterbereich. Sie können im ungünstigsten Fall die Funktion des Wärmeüberganges verringern oder die Montage des elektronischen Bauteils behindern.

Um diese Fräsbahnen im Montagebereich zu verhindern sollten relevante Stellen im Vorfeld auf der fertigungstechnischen Zeichnung angegeben und hinsichtlich der Ebenheit genau spezifiziert werden. Gleiches gilt für dekorative Vorgaben. Eigens hierfür entwickelte Werkzeug- und Bearbeitungsstrategien bieten ebenfalls die Möglichkeit auch bei größeren Kühlkörperbodenflächen diese in einem Stück bzw. mit einer Spur plan zu fräsen.

Des Weiteren wird jede plan gefräste Oberfläche in Lüdenscheid mit einer speziellen Schutzfolie überzogen, damit bei weiteren Bearbeitungsschritten die bereits bearbeiteten Oberflächen nicht verkratzt werden.

Die individuelle Kühlkörpergestaltung

Besonders bei einer aktiven Entwärmung lassen sich die oftmals im Strangpressverfahren umgesetzten Kühlkörperprofile nicht immer optimal einsetzen. Für diese Anwendungsfälle gibt es individuelle Kühlkörperprofile mit einer engmaschigen Rippenstruktur. Die sogenannten Lamellenkühlkörper (Bild 2), auch als Bonded-Fin-Kühlkörper bezeichnet, liefern hierzu ausgezeichnete und sehr effiziente Lösungen.

Bei erschwerten wärmetechnischen Belangen und komplizierten Einbaubedingungen sind diese oft nur durch speziell angefertigte Kühlkörperlösungen realisierbar. Lamellenkühlkörper können mit einem Zungenverhältnis bis zu 40:1 hergestellt und individuell auf die kundenspezifischen Erfordernisse adaptiert werden.

Bonded-Fin-Kühlkörper und die damit verbundene hohe Rippendichte und die volumetrisch größere Oberfläche sorgen für mehr Effizienz bei Anwendungen mit hoher Leistung unter erzwungener Konvektion. Je mehr Oberfläche dem Kühlkörper zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht, desto mehr Leistung wird von den elektronischen Bauelementen aufgenommen an die Umgebungsluft abgeführt.

Die Qualitätsansprüche an Strangkühlkörper

Fräsbearbeitungen jeglicher Art, wie z.B. plan gefräste Oberflächen oder Durch­brüche, bilden die Schnittstelle zu der in der Applikation verbauten Elektronik. Sie müssen präzise ausgeführt sein, um den Kühlkörper fachgerecht an die Elektronik zu adaptieren.

Der Qualitätsanspruch an die herzustellenden Kühlkörperprofile beginnt bereits bei der Rohmateriallagerung. Neben der mechanischen Bearbeitungsqualität ist die Art und Weise der Profillagerung mit entscheidend für den Gesamteindruck des Endproduktes.

Bei nicht sachgerechter Lagerung können die Profile abhängig von den Umgebungsbedingungen korrodieren, d.h. aus technischer Sicht beschreibt die Korrosion eine Reaktion des Grundwerkstoffs mit seiner Umgebung. Das Material wird sozusagen zerfressen und kann zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines elektronischen Bauteils oder Systems führen.

Die sogenannte Vorkorrosion ist allerdings im Vorfeld auf Strangpressprofilen nicht immer deutlich, sondern wird erst ersichtlich, wenn das Material zum Beispiel nach der mechanischen Bearbeitung zusätzlich eloxiert wird. Die Vorkorrosion erzeugt auf der eloxierten Kühlkörperoberfläche defekte und führt letztendlich zum Ausschuss der produzierten Komponente.

Materialverunreinigungen im verwendeten Rohaluminium sowie press- und herstellungsbedingte Streifen, die beim Durchfluss des Materials durch Reibung in der Werkzeugmatrize entstehen, sind nicht immer zu einhundert Prozent durch die oft angewendete anodische Oxidation (Eloxieren) zu entfernen bzw. zu kaschieren.

Dekorative Aspekte werden wichtiger

Bei etlichen Anwendungen, auch im industriellen Bereich, ist allerdings der Qualitätsanspruch über die Jahre stetig gestiegen. Beispielhaft ist hierfür das Thema Entwärmung von LEDs zu nennen. Vielfach wird die LED zur Entwärmung direkt in sogenannte LED-Kühlkörper, inklusive der benötigten Elektronik und Optik, integriert (Bild 3). Hierbei entwärmt der Kühlkörper die LED und fungiert gleichzeitig als ein von außen sichtbares Leuchtengehäuse.

Dementsprechend sind jegliche Beschädigungen und Bearbeitungsspuren wie z.B. Verformungen, Kratzer, Riefen, Fräs- und Sägespuren im Oberflächensichtbereich nicht zulässig und erwünscht. Für die Vermarktung und den daraus resultierenden Verkaufserfolg eines Produktes sind oftmals neben den technischen Eigenschaften getreu dem Motto „Das Auge isst mit“ die Optik und das Erscheinungsbild des Endproduktes ausschlaggebend.

Elektromechanische Komponenten mit einer sehr hochwertigen und präzisen Bearbeitungsqualität finden bereits in vielen technischen Gebrauchsgütern Anwendung. Verschiedenartige Möglichkeiten der Oberflächenbearbeitung für die vom Kunden gewünschte Qualität, wie z.B. durch Schleifen, Strahlen, Polieren sind unabdingbar und aus dem Service-Angebot eines Kühlkörperherstellers nicht mehr wegzudenken. Die permanente Produktionsüberwachung und Qualitätsüberprüfung der einzelnen Bearbeitungsprozesse gemäß eines funktionierenden Ablaufs rundet in Summe das Bearbeitungsportfolio ab und gewährleistet in Punkto Qualität reproduzierbare Kundenwünsche und -anforderungen.

* Jürgen Harpain ... ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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