Kühlkörper Drei Tipps, wie Sie Leistungselektronik effizienter kühlen

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Elektromobilität, erneuerbare Energien, Digitalisierung, Automatisierung – immer mehr Bereiche werden elektrifiziert. Damit steigt auch die Nachfrage nach leistungsstarken Kühllösungen. Drei Faktoren, mit denen sich eine hohe Effizienz durch Kühlkörper erzielen lässt.

Mithilfe von Kühlkörpern wird die Temperatur in einem elektronischen Bauteil durch Konvektion (Wärmeleitung) gesenkt. Damit sie möglichst viel thermische Energie aufnehmen, werden sie aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Die aufgenommene thermische Energie wird anschließend über die Kühlrippen des Kühlkörpers an die Umgebung abgegeben.

Sogenannte TIM-Materialien (Thermal Interface Material) reduzieren Unebenheiten zwischen Kühlkörper- und Bauteiloberfläche und verbessern den Wärmeübergang. Eine weitere Möglichkeit, um die Kühlleistung zu erhöhen, ist die Kombination mit Lüftern oder Heatpipes.

Im Bereich der Kühlkörper lassen sich insbesondere bei leistungselektronischen Anwendungen mit Kenntnissen über die physikalischen und herstelltechnischen Grundlagen einige Effizienzpunkte herausholen. Das betrifft auch das Preis-Leistungsverhältnis.

Erster Effizienzfaktor: Das größte Optimierungspotenzial für Kühllösungen mit Kühlkörpern bietet die Oberfläche. Je größer die Oberfläche ist, desto schneller lassen sich Komponenten entwärmen.

Klassische Kühlkörper haben daher Rippen. Je schmaler und zahlreicher diese Rippenstrukturen sind, desto größer ist die resultierende Oberfläche und desto besser die Wärmeableitung durch natürliche Konvektion.

Derartige Kühlkörper werden in der Regel mittels Extrusion oder Druckguss hergestellt. Die für die Ableitung der Verlustleistung erforderlichen Strukturen lassen sich auch in hohen Stückzahlen realisieren.

Der Klassiker: Strang- und Extrusionskühlkörper

Strang- oder Extrusionskühlkörper sind der Klassiker bei der Entwärmung von Leistungselektronik. Ihre Rippen sorgen für eine große Kühlkörperoberfläche und damit für eine effektive Wärmeabfuhr durch natürliche Konvektion.

Kleine Profilkühlkörper werden über Klammern oder Lötpins am Bauteil montiert. Große Strangkühlkörper werden in der Regel über integrierte Gewinde mit dem Kühlkörper verschraubt.

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Extrusionskühlkörper werden meist aus einer Aluminium-Strangpresslegierung, seltener aus Reinaluminium oder Reinkupfer gefertigt. Beim Strangpressen wird das auf 450 bis 500 °C erhitzte Metall unter hohem Druck durch eine Matrize gedrückt und das so entstehende 6 bis 7 m lange Strangpress-Profil nach dem Abkühlen auf Länge geschnitten.

Mit dem Druckgussverfahren lassen sich Kühlkörper mit komplexen Geometrien zu geringen Stückkosten herstellen. Dabei ist nahezu jede anwendungsspezifische Form und Größe umsetzbar. Typische Druckgussmaterialien sind Aluminium, Zink und Magnesium, wobei sich Aluminium mit Abstand am besten für die Herstellung von Kühlkörpern eignet.

Beim Druckguss wird das Metall unter hohem Druck und mit definierter Geschwindigkeit in das Druckgusswerkzeug (eine Stahlform) eingebracht. Das Werkzeug gibt die Form des Kühlelements vor und kann je nach Größe des jeweiligen Kühlkörpers mit mehreren Kavitäten versehen werden.

Durch Werkstoff und Herstellverfahren die Kühlleistung optimieren

Zweiter Effizienzfaktor für eine hohe Kühlleistung ist ein geringer Wärmewiderstand (umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit). Dieser ist durch den Werkstoff vorgegeben. Auch wenn Kupfer mit 400 W/mK die höchste Wärmeleitfähigkeit bietet, wird es aufgrund seines hohen Preises und Gewichts nur eingesetzt, wenn besonders hohe Wärmemengen in kürzester Zeit abgeführt werden müssen und der Bauraum begrenzt ist.

Aluminium ist kostengünstiger und leichter. Daher hat sich Aluminium als Kühlkörpermaterial durchgesetzt, obwohl seine Wärmeleitfähigkeit (180 bis 235 W/mK) nicht optimal ist. Das Material punktet allerdings durch eine hervorragende Wärmeabgabe.

Aber auch die Herstellung spielt eine Rolle. Werden Stift- und Rippenkühlkörper aus Aluminium durch Kaltfließpressen hergestellt, entsteht ein extrem homogenes, dichtes Materialgefüge. Dadurch ist die Kühlleistung des kaltfließgepressten Kühlkörpers um 30 % höher als die von Strangpress- und um 40 % höher als die von Druckgusskühlkörpern mit den gleichen Dimensionen.

Der Formgebung der Stifte und Rippen sind dabei kaum gestalterische Grenzen gesetzt. Zusätzlich sorgt eine optimierte Form für hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Luft und die Anordnung der Rippen bzw. Stifte wirkt – richtig per FEM-Simulation optimiert – strömungsbegünstigend. Daraus resultiert bereits bei natürlicher Konvektion eine bessere Kühlleistung.

Beim Kaltfließpressen wird ein flacher Metallrohling, der ungefähr das Volumen des fertigen Kühlkörpers besitzt, bei Raumtemperatur unter hohem Druck zum Fließen gebracht. Dabei füllt das Material alle Hohlräume des Formwerkzeugs vollständig aus. Für eine besonders effektive Wärmeabfuhr werden Basis und Stifte der Kühlkörper so geformt, dass sie sich optimal dem zu kühlenden Bauteil anpassen. In der Regel sind kaltfließgepresste Kühlkörper rund und symmetrisch aufgebaut.

Das Kaltfließpressen eignet sich besonders für die Herstellung leistungsstarker Kühlkörper aus Reinaluminium (AL1070/AL1050), aber auch aus Reinkupfer (CU1100/CU1020).

Dritter Effizienzfaktor: Der Wärmewiderstand lässt sich ebenfalls an der Stelle, an der die Rippen mit der Bodenplatte verbunden werden, optimieren. Ein Ansatz ist, fertigungsbedingte (suboptimale) Übergänge in einer CNC-Bearbeitung anzugleichen.

Aus einem Stück: Hochleistungskühlkörper mit geschälten Rippen

Alternativ können Kühlkörper aus einem Stück hergestellt werden. Beim als Skived Fin bezeichneten Verfahren werden die Kühlkörper aus einem Aluminium- oder Kupferblock herausgeschält. Auf diese Weise entstehen Kühlkörper mit einer hohen Rippendichte, die direkt mit der Kühlkörperbasis verbunden sind.

Da es am Übergang von Kühlkörperbasis und Rippen keine zusätzlichen Wärmewiderstände gibt, lässt sich eine sehr hohe Kühlwirkung realisieren. Die Kühlrippen können zudem besonders dünn und lang ausgeführt werden.

Dieses Verfahren ist für kleine Serien geeignet, da geringe Werkzeugkosten entstehen. Anwendungen finden sich dort, wo eine hohe spezifische Leistungsdichte des Kühlkörpers gefordert ist, beispielsweise in Wechselrichtern von PV-Anlagen, in der Telekommunikation oder in Servern.

Eines der führenden Kühlkörper-Produktprogramme in Europa bietet CTX Thermal Solutions, unter anderem auch mit dem Skived-Fin-Verfahren hergestellte Kühlkörper. Das Unternehmen fertigt neben Standardkühlkörpern auch anwendungsspezifische Kühllösungen. (kr)

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