Bekanntermaßen haben Temperaturschwankungen einen direkten Einfluss auf die Haltbarkeit von elektronischen Bauteilen: Untersuchungen zufolge verringert sich deren Lebensdauer für jede Temperaturerhöhung um 10 °C um 50 Prozent. Entsprechend ist ein effektives thermisches Management unabdingbar, um Elektronik langfristig sicher betreiben zu können.
Dabei helfen Kühlkörper, im Fachjargon auch Wärmesenken genannt. Sie sind wärmeleitend mit dem zu kühlenden Bauelement verbunden. Anders als der Name es suggeriert, kühlt ein Kühlkörper nicht, sondern vergrößert die Oberfläche. Genauer gesagt macht sich der Kühlkörper den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zunutze, wonach Wärme stets in Richtung der geringeren Temperatur, also vom wärmeren zum kälteren Körper fließt. Der Kühlkörper nimmt die thermische Energie des zu kühlenden Bauteils auf und leitet diese mit Hilfe des Prinzips der Oberflächenvergrößerung an die Umgebungsluft ab.
Strangkühlkörper: Beliebt und günstig
Das robuste Herstellungsverfahren des Strangpressens, die spezifische Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit des verwendeten Aluminiummaterials sowie der vergleichsweise günstige Preis in Relation zum Wärmeableitvermögen machen klassische Strangkühlkörper zu einem besonders beliebten Entwärmungskonzept für elektronische Bauteile. Im Strangpressverfahren hergestellte Kühlkörper bestehen aus sogenannten Knetlegierungen, das heißt beim Umformen wird das erwärmte Aluminiummaterial durch eine Matrize gepresst (mit der Kühlkörpergeometrie im Negativ).
Die verwendeten Legierungen enthalten überwiegend Aluminium, Magnesium und Silizium; in Europa werden sie als EN-AW-Legierungen bezeichnet (EN = Europäische Norm, AW = Aluminium Wrought). Für Kühlkörperprofile mit einem Durchmesser von weniger als 350 mm gilt die Presstoleranz nach DIN EN 12020; für alle anderen Profile findet die DIN EN 755 Anwendung. Je größer das Kühlkörperprofil, desto größer die auftretenden Toleranzen.
Für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen – zum Beispiel in IGBTs oder Solid State Relais – sind herkömmliche Strangkühlkörper nicht ausreichend leistungsstark. Hier kommen sogenannte Hochleistungskühlkörper zum Einsatz. Diese großvolumigen Kühlkörper können aufgrund ihrer Komplexität und Größe nicht in einem Stück stranggepresst werden. Ihr Grundgerüst besteht aus einer geraden oder U-förmigen Basisplatte, die als Halbleitermontagefläche dient.
Die 15 bis 20 mm dicke Basisplatte enthält eine spezielle Einpressgeometrie, in die abhängig von der jeweiligen Anwendung Voll- oder Hohlrippen aus Aluminium gepresst werden. Die einzelnen strangpressten Rippenformen werden mittels einer speziellen Verarbeitungstechnologie formschlüssig und optimal wärmeleitend mit dem jeweiligen Bodenprofil verpresst.
Schwierigkeiten bei Leistungshalbleitern
Aufgrund ihrer Dicke sorgen die Bodenplatten für eine optimale Wärmeverteilung innerhalb des Kühlkörpers und gewährleisten eine solide Befestigung der Leistungshalbleiter mittels speziell angepasster Aufnahmegewinde. Hochleistungskühlkörper mit einem U-förmigen Grundaufbau haben an den Außenseiten jeweils einen massiven Steg, mit dessen Hilfe sich der Kühlkörper befestigen lässt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, auf dem Steg weitere Halbleiterbauelemente zu montieren. Eine optimale wärmetechnische Montage der Leistungshalbleiter wird jedoch häufig vom Durchbiegen der Profile in Querrichtung beziehungsweise deren Torsion in Längsrichtung erschwert.
Um einen guten Wärmeübergang zu garantieren, werden in vielen Anwendungen Ebenheiten von < 0,02 mm benötigt, was ohne mechanische Nacharbeit presstechnisch nicht realisierbar ist. Besonders ebene Halbleitermontageflächen lassen sich durch frästechnisches CNC-Bearbeiten erreichen. Je nach Applikation und Einbaubedingungen sollten zudem die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und der Planparallelität Berücksichtigung finden.
Bei Hochleistungskühlkörpern wird zwischen den beiden Entwärmungskonzepten der freien und der erzwungenen Konvektion unterschieden. Bei der freien Konvektion besitzen die Kühlkörper eine einpresste Vollrippe. Ist die abzuführende Verlustleistung zu groß oder kommt gar eine Luftströmung in der Anwendung vor, so fällt die Wahl auf einen Hochleistungskühlkörper mit eingepresster Hohlrippengeometrie. Solche Kühlkörper sind allerdings nur sinnvoll, wenn es Luftströmungen gibt oder zusätzliche Lüftermotoren die erzeugte Luft durch den Rippentunnel leiten – daher die Bezeichnung „erzwungene Konvektion“.
Bezüglich der realisierbaren Kühlkörperbreiten sind Hochleistungskühlkörper im Vergleich zu normalen Strangkühlkörpern klar im Vorteil: Profile mit eingepresster Vollrippengeometrie beginnen bei einer Kühlkörperbreite von 300 mm und enden bei einer Breite von 750 mm, mit einer jeweiligen Rippenhöhe von 83,5 mm; Profile mit einer eingepressten Hohlrippe beginnen ab 165 mm und enden bei einer Gesamtbreite von 500 mm, wobei die Rippenhöhen frei nach den Kundenvorgaben angepasst werden können.
Rippen: 10 Prozent höherer Wirkungsgrad
Eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrads im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpervarianten lässt sich durch eine gewellte, strömungsoptimierte Rippenstruktur erreichen. Die auf diese Weise erreichte Vergrößerung der Oberfläche führt zu einer Steigerung des Wirkungsgrades um ungefähr 10 Prozent. Darüber hinaus erzeugt die gewellte Rippenstruktur im Vergleich zu normalen Glattrippen eine turbulentere Strömung, was zu einem besseren Wärmeübergang von der Rippe zur vorbeiströmenden Luft führt.
Die erhöhte Turbulenz innerhalb des Rippentunnels hat jedoch einen ebenfalls erhöhten Staudruck zur Folge. Dem muss die in den Tunnel einströmende Luft entgegenwirken. Darum reicht es in vielen Fällen nicht aus, Hochleistungskühlkörper mit einer Hohlrippengeometrie lediglich einfach anzuströmen. Stattdessen muss die Anströmung in gerichteter Form unmittelbar am Grundkörper erfolgen; beispielsweise indem die Lüftermotoren direkt auf der Stirnseite des Hohlrippenprofils montiert werden.
Diagonallüftermotoren für mehr Leistung
Die Kombination eines Hochleistungskühlkörpers mit Hohlrippenstruktur und einem stirnseitig aufgesetzten Lüftermotor wird als Lüfteraggregat bezeichnet. Lüfteraggregate sind in der Leistungselektronik eine häufig eingesetzte Methode der Entwärmung. Sie besitzen einen sehr guten thermischen Wirkungsgrad und ausgesprochen niedrige Wärmewiderstände.
Die verwendeten Motoren sind bezüglich Volumenstrom und Staudruck auf die jeweilige Hohlrippengeometrie abgestimmt. Das bedeutet, die Leistung des Lüfters wirkt dem entstehenden Staudruck entgegen und die Luftfördermenge wird dadurch über die gesamte Länge des Lüfteraggregats transportiert. Falls die durch einen Axiallüftermotor erzeugte Wärmeabfuhr nicht ausreicht, kann die Leistung durch den Einsatz von Diagonal- oder großvolumigen Radiallüftermotoren zusätzlich erhöht werden. Je nach Ausführung und Größe des gewählten Aggregates lassen sich für Luftfördermengen von bis zu 1.400 m3/h Wärmewiderstände von < 0,015 K/W erzielen.
