Herstellverfahren für Hochleistungskühlkörper Skived Fin: Kühlkörper mit hohen, dünnen Rippen

Anbieter zum Thema

CTX Thermal Solutions GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Die Leistungen von Hochleistungselektronik steigen stetig – und damit auch die Anforderungen an die Kühlung. Das Skived-Fin-Verfahren ist ideal, wenn Leistungselektronik einen sehr effektiven Wärmetransport bei wenig Platz benötigt.

Bei elektronischen Bauteilen geht der Trend zu mehr Leistung auf weniger Bauraum. Das bringt jedoch einen Nebeneffekt mit sich: Durch die höhere Verlustleistung entsteht mehr Wärme, die abgeführt werden muss. Zu diesem Zweck werden Kühlkörper mit passiver oder aktiver Kühlung eingesetzt.

Je nach Geräte- bzw. Elektronik-Design kommen bei der Kühlung von Leistungselektronik unterschiedliche Kühlkörpertypen, Materialien und Herstellungsmethoden zum Einsatz. Fertigungstechniken wie Extrusion, Stanzbiegetechnik oder Schälen von Lamellen aus dem Block sorgen für eine extrem große wärmeleitende Oberfläche auf kleinstem Raum sowie für einen minimalem Wärmewiderstand zwischen Kühlkörperbasis und Kühlrippen.

Bildergalerie

Jedes Verfahren hat dabei seine spezifischen Vorteile: So ist die Extrusion prädestiniert für die Produktion von Profilkühlkörpern in hohen Stückzahlen. Allerdings sind mit dem Strangpressen keine sehr dünnen und sehr hohen Rippen herstellbar. Auch Druckgusskühlkörper und Flüssigkeitskühlkörper, die Königsklasse unter den Kühllösungen, werden zur Kühlung der Leistungselektronik eingesetzt. Allen applikationsspezifischen Kühllösungen gemein ist ihre Passgenauigkeit und eine effektive Wärmeableitung.

Skived Fin: Geschälte Rippen für Hochleistungskühlkörper

Die Aufgabe eines Kühlkörpers ist die schnelle und effiziente Entwärmung. Voraussetzung hierfür ist eine möglichst große wärmeleitende Oberfläche. Die klassische Kühlkörperbauform ist daher der Rippenkühlkörper. Um diesen herzustellen, stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung: eines davon ist das Skived-Fin-Verfahren. Dieses ist ideal, wenn Hochleistungselektroniken einen sehr effektiven Wärmetransport benötigen. In der Regel wird die Wärme der Kühlkörper dabei zusätzlich durch Systemlüfter abgeführt, wodurch eine noch effektivere Kühlung möglich ist.

Beim Skived-Fin-Verfahren werden die Kühlrippen aus einem Aluminium- oder Kupferblock einzeln herausgeschält – ganz ohne die thermischen Widerstände, die unvermeidlich bei Löt-, Kleb- oder Pressverbindungen auftreten. Die Verbindung zwischen Rippen und Kühlkörper wird dabei nicht unterbrochen. Auf diese Weise entstehen Kühlkörper mit einer hohen Dichte an besonders feinen und hohen Rippen, die übergangslos mit der Kühlkörperbasis verbunden sind.

Welche Kühlkörper sind mit dem Skived-Fin-Verfahren möglich?

Um eine hohe spezifische Leistungsdichte bei Kühlkörpern zu gewährleisten, setzt CTX Thermal Solutions unter anderem auf das Skived-Fin-Verfahren. Durch eine neue Schälmaschine können mit diesem Verfahren nun große Kühlkörper mit noch feineren und höheren Kühlrippen sowie minimierten Abständen zwischen den Rippen als bisher hergestellt werden. Realisieren lassen sich folgende Kühlkörper:

• Rippenstärke (Fin Thickness): Aluminium: 0,1 bis 2,0 mm; Kupfer: 0081 bis 2,0 mm,

• Länge der Kühlkörper: Al und Cu: 10 bis 2.900 mm,

• Breite der Kühlkörper: Al und Cu: 10 bis 900 mm,

• Rippenhöhe (Fin Height): Al und Cu: 1 bis 180 mm,

• Rippenabstand Mitte zu Mitte (Fin Pitch): Al: 0,2 bis 12 mm; Cu: 0,16 bis 12 mm.

Die neuen Maße sind eine deutliche Steigerung gegenüber den bisherigen Möglichkeiten. Bei Bedarf können die Skived-Kühlkörper auch mit einer CNC-Maschine bearbeitet werden, um den Strömungsweg durch verschiedene Ausrichtungen der Rippen zu verbessern und somit höhere Kühlanforderungen zu erfüllen.

Realisierbare Lamellenhöhe und Lamellendicke

Die realisierbaren Lamellenhöhen und Lamellendicken werden durch die Breite und Länge des Kühlkörpers, die Bodendicke und andere Faktoren bestimmt. Sollte beispielsweise eine sehr hohe Rippe benötigt werden, ist nicht gleichzeitig eine sehr dünne Rippe möglich.

Mit der neuen Maschine konnten diese Werte allerdings stark verbessert werden. Wird beispielsweise ein Kühlkörper mit einer Breite von 900 mm und einer Länge von 2.900 mm benötigt, sind nun Rippen mit einer Höhe von 130 mm und einer minimalen Rippenstärke von 0,8 mm möglich. Der Schälkühlkörper hat so eine höhere Lamellenanzahl als bisher, wodurch die Wärmeabgabefläche pro Volumeneinheit erhöht und somit die Wärmeabgabeleistung des Produkts insgesamt verbessert wird.

Beim Kühlkörper lässt sich eine Lamellenfeinheit erreichen, die durch kein anderes Verfahren realisiert werden kann. Auch das Verhältnis zwischen Lamellenhöhe und Lamellendicke ist besser als beispielsweise beim Extrusions-Verfahren. Im Vergleich zur Aluminium- oder Kupferextrusion lassen sich mit dem Schälen der Kühlkörper teure Werkzeugkosten einsparen. Das Skived-Fin-Verfahren eignet sich dadurch auch für die Muster- oder Kleinserienfertigung.

Auch gegenüber geklebten oder eingefügten Lamellen kann die Rippenstärke beim Schälen 0,1 mm bis 2 mm dünner ausgeführt werden. Darüber hinaus treten beim Kühlkörper keine thermischen Widerstände beim Übergang von Kühlkörperbasis zu den Rippen auf, wodurch die Kühlleistung ca. 10 Prozent höher ist als beim Kleben oder Einfügen. Es besteht auch kein Risiko, dass sich die Rippen lockern, beispielsweise durch Alterung des Klebstoffs.

Die Vorteile des Skived-Fin-Verfahrens:

• keine thermischen Widerstände beim Übergang von Kühlkörperbasis und Rippen,

• sehr hohe Kühlwirkung,

• besonders dünne und lange Rippen realisierbar,

• hohe Rippendichte,

• keine Werkzeugkosten,

• geeignet für die Einzelstück-, Muster oder kleine Serienfertigung.

Kühlleistung: Auf den richtigen Werkstoff kommt es an

Faktoren wie Material und Form spielen bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers eine zentrale Rolle. Die thermische Leistung ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers. Aluminium zeichnet sich dabei durch sein geringes Gewicht bei guter Wärmeleitfähigkeit aus. Deswegen wird dieser Werkstoff bevorzugt bei der Herstellung von Kühlkörpern eingesetzt – entweder in seiner reinen Form oder als Legierung.

Bei der klassischen Extrusion wird üblicherweise die Aluminiumlegierung AlMgSi0,5 (AW 6063) für die Produktion der Profilkühlkörper verwendet. Beim Skived-Fin-Verfahren kommt dagegen standardmäßig Reinaluminium Al 1060 und Al 1070 zum Einsatz. Dieses bietet den Vorteil einer sehr hohen Plastizität, Korrosionsbeständigkeit, leichten Lötbarkeit und – besonders wichtig für Kühlkörper – Wärmeleitfähigkeit von ca. 235 W/(m * K).

Die Wärmeleitfähigkeit von AlMgSi0,5 beträgt dagegen nur ca. 186 W/(m * K). Zudem kann Reinaluminium gezogen und gebogen werden. Bei besonders hohen Anforderungen an die Kühlleistung kann neben Aluminium auch Kupfer eingesetzt werden. Der Vorteil dieses Werkstoffs ist die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 401 W/(m * K), allerdings bei sehr viel höheren Kosten und Gewicht gegenüber Aluminium. (kr)

* Thomas Windeck ist Leiter Vertrieb bei CTX Thermal Solutions.

(ID:50549724)