Verlustwärme sicher abführen High-Density-Kühlkörper selbst gestalten

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Unangemessene und zu hohe Bauteiltemperaturen elektronischer Komponenten müssen in einem für das Bauteil angenehmen Temperaturbereich gehalten werden. Erhöhtes Wärmeaufkommen und die daraus resultierende thermische Belastung reduzieren die Lebensdauer und beeinflussen die sichere und langlebige Funktion.

Stetig steigende Leistungsdichten in Verbindung mit kompakteren Bauteilaufbauten ist ein Trend in der Halbleiterindustrie, welcher den Anwender oftmals vor komplexe wärmetechnische Aufgaben stellt, besonders bei der Auswahl eines geeigneten thermischen Managements für Leistungshalbleiter. Zum einen müssen die auftretenden Verlustleistungen der Bauteile sicher an die Umgebung abgeführt werden, zum anderen spielt der Einbauraum in der Applikation oftmals eine wichtige Rolle.

Nicht selten sind anpassbare Kühlkörperlösungen gefragt und kundenseitig gefordert. Die am häufigsten eingesetzte Methode zur Bauteilentwärmung sind klassische Strangkühlkörper aus Aluminium, welche im Extrusionsverfahren hergestellt werden und zur Wärmeaufnahme mit dem Bauteil verbunden sind. Kühlkörper, auch Wärmesenke genannt, nehmen die thermische Energie des zu entwärmenden Bauteils auf und leiten diese über eine vergrößerte Oberflächenbeschaffenheit des Kühlkörpers (Rippenstruktur) an die Umgebungsluft ab.

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Je größer die wärmeübertragende Oberfläche eines Körpers gestaltet ist, desto besser ist der Wärmeübergang von diesem Körper zum umgebenden Fluid. Daher wird beim Kühlkörperdesign stets versucht, eine möglichst große Wärmetauschfläche zu erzielen, wobei allerdings zwingend auch physikalische Gegebenheiten berücksichtigt werden müssen. Zu enge Rippenabstände und der daraus entstehenden Überlagerung von Grenzschichten, mindern die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers durch ein reduziertes Auftriebsverhalten.

Große Kühlkörperoberflächen: Lamellenkühlkörper

Generell bleibt festzuhalten, dass enge Rippenabstände bei der freien Konvektion aufgrund der Überlagerung von Grenzschichten zwischen zwei Rippen und der damit verbundenen Hotspot-Bildung eher als hinderlich zu bewerten sind. Der entstehende natürliche Konvektionsauftrieb ist aufgrund des engen Rippenabstandes nicht ausreichend, um die Wärme zwischen den Rippen abzutransportieren. Stehen in der Anwendung hingegen zusätzliche Luftströmungen zur Verfügung, zum Beispiel durch Lüftermotoren, sind Lamellenkühlkörper (Bild 1) als äußerst effiziente Entwärmungsmethode vorteilhaft.

Je mehr Oberfläche dem Kühlkörper zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht, desto mehr Leistung wird von den elektronischen Bauteilen aufgenommen und an die Umgebungsluft abgegeben. Lamellenkühlkörper werden aufgrund der Rippendichte und Leistungsfähigkeit auch als Bonded-Fin oder High-Density Kühlkörper bezeichnet. Lamellenkühlkörper können mit einem Zungenverhältnis von bis zu 40:1, auch höher hergestellt werden und sind in allen Abmessungen individuell auf die kundenspezifischen Applikationsanforderungen anzupassen. Lamellenkühlkörper sind gemäß unterschiedlicher Herstellungsverfahren umzusetzen, wobei jedes Herstellungsverfahren seine Vor- und Nachteile mit sich bringt.

Aufbau und Herstellung von Bonded-Fin-Kühlkörpern

Die Bodenplatte des Lamellenkühlkörpers der Artikel KTE 1 und KTE 2 in einer Breite von 100 mm, besteht aus einem stranggepressten Profil, welches gegenüberliegend zur Halbleitermontagefläche eine besondere Nutgeometrie beinhaltet. In diese Nuten werden nun angepasste Blechabschnitte eingepresst, zusätzlich zur Vermeidung von Lufteinschlüssen im Kontaktbereich mit einem hochwärmeleitenden Kleber zusätzlich aufgefüllt sowie fixiert.

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Hierdurch wird ein optimaler Wärmeübergangswiderstand zwischen der Grundplatte und den einzelnen Kühllamellen gewährleistet. Bei kleineren und größeren Kühlkörperbreiten wird die angesprochene Nutgeometrie in der Bodenfläche mittels eines speziellen Fertigungsverfahrens eingebracht, wobei die weiteren Herstellungsschritte identisch bleiben.

Die geometrischen Abmessungen der Bonded-Fin-Kühlkörper, auch in Punkto Lamellenform und Basisplattenmaterialstärke, werden nach kundenspezifischen Vorgaben mit ein- oder doppelseitigen (Serie KTED), exakt plangefrästen Halbleitermontageflächen hergestellt. Gleichfalls besteht die fertigungstechnische Möglichkeit, die Bodenfläche der Kühlkörper aus Kupfermaterial herzustellen und lediglich die Kühllamellen in Aluminium auszuführen. Somit fungiert die Halbleitermontagefläche des Lamellenkühlkörpers als Heatspreader zur Wärmespreizung und liefert hierdurch aufgrund der wesentlich höheren Wärmeleitfähigkeit des Kupfermaterials für etliche Anwendungen einen echten Mehrwert.

Für sensible Applikationen, bei denen der genannte Kleber nicht vorhanden sein darf und bei weiteren Oberflächenbeschichtungen, wo der Kleber als Barriere wirkt, wird auf ein neueres, aber auch komplexeres Herstellungsverfahren zurückgegriffen. Bei Lamellenkühlkörpern der Serie KPK erfolgt die Montage der Kühlbleche vollautomatisch rein mechanisch und ohne zusätzlichen Wärmeleitkleber zum Fixieren der Bleche. Die Basisplatte des Kühlkörpers enthält gleichfalls eine auf die Kühllamellen angepasste und toleranzgenaue Nutgeometrie, in welche die einzelnen Kühlrippen im kalten Zustand verpresst werden.

Die acht Standard-Produkte KPK 1 bis 8 besitzen allesamt eine exakt plan gefräste Halbleitermontagefläche und werden in sieben unterschiedlichen Längenvarianten angeboten. Die Breite der Lamellenkühlkörper beginnt mit 100 mm und endet im Standard bei 500 mm, wobei die jeweilige Gesamthöhe der Kühllamellen bis maximal 135 mm reicht. Materialstarke Basisplatten mit einer Dicke von 10, 15 oder 20 mm gewährleisten eine fachgerechte Halbleitermontage auf dem Lamellenkühlkörper. Sowohl die einzelnen Lamellen als auch die Bodenplatte bestehen aus einem hochwärmeleitendem Aluminiummaterial und sind unverlierbar miteinander verbunden.

Neben vielzähligen Standardartikeln bietet der Spezialist aus Lüdenscheid auch die kundenspezifische Fertigung der Lamellenkühlkörper nach Zeichnungsvorlage an. Die Varianz reicht hierbei von unterschiedlichen Kühlkörperbreiten und -längen, verschieden starken Halbleitermontageflächen bis hin zur angepassten Rippenanzahl, -höhen, -abstand und -dicke. Weitere mechanische CNC-Bearbeitungen werden ebenso nach Kundenwunsch realisiert.

Lamellenkühlkörper aus Aluminiumvollmaterial

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung performanter Lamellenkühlkörper ist durch ein rein mechanisches Fertigungsverfahren gegeben. Kühlkörper der Serie KGR (Bild 2) bestehen aus einem Stück und werden auf Basis eines hochwärmeleitfähigen Aluminiumvollmaterials gefertigt beziehungsweise gesägt. Hierdurch wird der Wärmeübergang von der Kühlkörperbasisplatte in die einzelnen Kühlrippen aufgrund des gleichen Grundmaterials aus wärmetechnischer Sicht nochmals merklich verbessert.

Die Lamellenkühlkörper aus Vollmaterial sind ebenfalls auf kundenspezifische Bedürfnisse und Einbaubedingungen individuell anpassbar. Nach dem momentanen Stand der Technik sind Kühlkörperbreiten bis maximal 250 mm mit einer Bodenstärke von 4 bis 20 mm herstellbar, wobei die minimale Rippendicke – bei einem Rippenabstand von 2/2,5/3/4/5 mm – bei 0,8 mm liegt. Die maximale Rippenhöhe, ohne die Dicke der Basisplatte, beträgt 38 mm mit einer maximalen Kühlkörperlänge von 1.500 mm.

Kompakte Lamellenkühlkörper: Skived-Kühlkörper

Die vierte Fertigungsmöglichkeit zur Herstellung von kompakten Lamellenkühlkörpern wird durch das Verfahren Skiving realisiert. Der Begriff Skiving leitet sich aus dem englischen ab und bedeutet übersetzt etwas „abzuschälen“, weshalb Skived-Kühlkörper auch als geschälte Kühlkörper bezeichnet werden. Skiving-Kühlkörper (Bild 3) der Serie KSK sind eine effiziente und flexible Lösung zur Wärmeableitung in leistungsdichten elektronischen Anwendungen.

Beim Skiving-Verfahren wird aus einem massiven Aluminium- oder Kupferblock das Material schrittweise abgetragen, so dass aus dem Grundkörper direkt dünne, eng beieinanderstehende Lamellen herausgearbeitet werden. Die einzelnen Lamellen bleiben monolithisch mit der Basis verbunden, wodurch kurze Wärmeleitwege und ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen der Bauteilaufnahme und Lamellenstruktur entstehen.

Der thermische Übergangswiderstand wird gegenüber den eingepressten Bauweisen deutlich reduziert. Technisch erlaubt das Verfahren variable Lamellenhöhen, -dicken und -winkel, so dass das Design an spezifische Strömungs- und Platzverhältnisse angepasst werden kann.

Typische Einsatzgebiete finden sich in der Leistungselektronik sowie in Server- und Rechenzentrumsanwendungen, wo hohe Leistungsdichten und geringe Temperaturdifferenzen gefragt sind. Insgesamt bietet der Skiving-Prozess eine attraktive Kombination aus thermischer Effizienz und gestalterischer Freiheit, weshalb er für viele Hochleistungsanwendungen eine bevorzugte Lösung darstellt.

Unabhängig vom jeweiligen Fertigungsverfahren, liefern die sehr kompakten Lamellenkühlkörper aufgrund ihrer engmaschigen Rippenanordnung, hervorragende Lösungsansätze zur Bauteilentwärmung bei forcierter Konvektion. Einseitige- oder doppelseitige exakt plan gefräste Halbleitermontageflächen bieten dem Anwender viel Raum zur Positionierung der Bauteile. Neben den vielzähligen Standardabmessungen und -ausführungen sind kundenspezifische Varianten oder Bearbeitungen möglich. (kr)

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

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