Diverse Kühlkonzepte stehen zur Wahl, um Wärme von elektronischen Bauelementen abzuführen. Allerdings wird das mit steigender Leistungsdichte immer herausfordernder! Jürgen Harpain, Entwicklungsleiter von Fischer Elektronik, zeigt auf, welche Ansätze zur Verfügung stehen, und gibt einen Ausblick.

Kontinuierlich steigende Integrations- und Leistungsdichten elektronischer Bauelemente sind ein voranschreitender Trend in der Halbleiterindustrie. Das führt zu ansteigender Bauteile-Temperaturen, weshalb das thermische Management ein wichtiges – aber auch oft unterschätztes – Design-Merkmal wird.

Grundsätzlich lässt sich über die Lebensdauer elektronischer Bauteile im Zusammenhang mit deren Temperatur folgendes festhalten: Für jede 10 °C Temperaturerhöhung reduziert sich die anzunehmende Lebensdauer um ca. 50 Prozent. Damit elektronische Bauelemente einwandfrei und lange funktionieren, ist ein effektives thermisches Management unabdingbar.

Kühlkörper und Lüfterkühler 

Hinsichtlich der verschiedenen Entwärmungsmöglichkeiten für elektronische Bauelemente sind die beiden übergeordneten Konzepte der »leisen und der lauten Wärmeableitung« zu nennen. 

Die leise Version, Wärmeableitung durch freie Konvektion und Strahlung, zum Beispiel durch passive Kühlkörper, ist ein bewährtes Mittel für die Entwärmung geringer wie auch großer Verlustleistungen. Der Kühlkörper als das bekannteste und meistbenutzte Element zur Elektronikkühlung ist ein mechanisches Teil, welches wärmeleitend mit der zu kühlenden elektronischen Komponente verbunden ist. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfolgt der Wärmefluss immer nur in Richtung geringerer Temperatur, also vom wärmeren zum kälteren Körper. Die Wärmesenke nimmt somit die thermische Energie des zu kühlenden Bauteils auf und leitet diese über das Prinzip der Oberflächenvergrößerung an die Umgebungsluft ab. Dieses nach dem Prinzip der alleinigen Oberflächenvergrößerung arbeitende System hat neben der Beschränkung hinsichtlich Baugröße, Volumen und Gewicht auch physikalische Begrenzungen: Diese sind durch die spezifische Wärmeleitfähigkeit (Lambda) der für Kühlkörper verwendeten Materialien, zumeist Aluminium, und seltener aufgrund der Kosten festgelegt. Für eine Kühlung lediglich kleinflächiger, leistungsstarker elektronischer Bauteile ist die Betrachtung der Oberflächengröße des Kühlkörpers allein nicht darüber aussagefähig, ob die zu kühlenden Teile auf die gewünschte Temperatur gebracht werden können. Der Wärmefluss innerhalb des Kühlkörpers, in seiner Bodenplatte wie auch in den Rippen, ist durch die spezifische Wärmeleitfähigkeit begrenzt, das heißt eine Vergrößerung der Oberfläche würde unter Umständen zu keiner Verbesserung führen. 

Besteht allerdings die Forderung nach einer wärmetechnischen Verbesserung, dann bietet die laute Version der Entwärmung, der Einsatz von Lüftermotoren (Lüfterkühler) diverser Bauarten zur Unterstützung der Kühlwirkung des Kühlkörpers sehr gute Lösungsansätze. Aus der freien Konvektion wird durch die bewegte Luft die sogenannte erzwungene (forcierte) Kühlung, die aufgrund des vermehrten Luftdurchsatzes eine größere Wärmemenge ableiten kann. Die Verwendung von bewegter Luft ermöglicht es, die Leistungsfähigkeit der Entwärmung weiter zu steigern. Ein Kühlkörper mit einem Ventilator erreicht je nach Applikation nochmals eine Verbesserung der Wärmeableitung um ca. 40 Prozent. Die dazu verwendeten Kühlkörper sind speziell auf die gute Wärmeableitung mittels bewegter Luft ausgelegt (Pin Fin). Die aktive Entwärmung ist nicht geräuschlos. Lüftermotoren und auch die Luftbewegung erzeugen Schallwellen, die bei etlichen Anwendungen, z. B. der Haushaltsbeleuchtung, störend wirken und oftmals nicht erwünscht sind. Allerdings sind als positive Aspekte der Lüfterkühlung neben der niedrigeren Gesamttemperatur auch die geringere Verschmutzung (Staubablagerungen) und besonders eine gleichförmigere Wärmeverteilung bei häufigem Ein-/Ausschalten gegeben. Analog zur Kühlkörperauswahl für die freie Konvektion ist der passende Kühlkörper für bewegte Luft anhand der entsprechenden Wärmewiderstandsdiagramme, die eine Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit angeben, auszuwählen.

Kühlkörperherstellung – Materialien und Verfahren

Die für Kühlkörper verwendeten Materialien sind hauptsächlich Aluminiumwerkstoffe, da diese das beste Verhältnis von Preis, Leistung, Gewicht und Volumen bieten und zudem einfach mechanisch bearbeitbar sind. Die Stoffgröße der spezifischen Wärmeleitfähigkeit eines Werkstoffes (Lambda) ist wie bereits beschrieben für ein gutes Wärmeableitverhalten stark bestimmend. Die verwendeten Aluminiumlegierungen haben Werte von Lambda > 200 W/m·K und sind in diversen Unterteilungen gebräuchlich. Hergestellt im Strangpressverfahren, bestehen Kühlkörper aus sogenannten Knetlegierungen, das heißt beim Umformen wird das erwärmte Aluminiummaterial durch eine Matrize, mit eingebrachter Kühlkörpergeometrie im Negativ, gepresst. Es sind mit diesem Prozess vielfältige Profiltypen relativ einfach zu realisieren, auch aufwändige Geometrien sind kostengünstig herstellbar. Des Weiteren besteht eine gute Verfügbarkeit durch die optimierte Lagerhaltung von Standardtypen, die auf Länge geschnitten, bearbeitet und oberflächenbehandelt werden.

Im industriellen Kühlkörperbereich sind für Extrusionsprofile (Strangprofile), die den größten Anteil der Rippenkühlkörper abdecken, als Standardwerkstoffe Legierungen aus Aluminium, Magnesium und Silizium gebräuchlich. In Europa werden diese Legierungen als EN-AW-Legierung bezeichnet (EN = Europäische Norm, AW = Aluminium Wrought). In der Elektronikkühlung werden als Strangkühlkörpermaterial am häufigsten die Legierungen EN AW 6060 (AlMgSi0,5) und 6063 (AlMgSi0,7) verwendet. Die Festigkeitsklasse T66 (vormals F22) ist nach DIN EN 755-2 mit einer Zugfestigkeit bei der Legierung 6060 mit ca. 195 bis 215 MPa und bei der Legierung 6063 von 225 bis 245 MPa festgelegt. Sonderlegierungen und andere Festigkeitswerte können auch hergestellt werden, sind aber anzufragen und stark tonnagenabhängig.

Mechanische Kriterien und Toleranzen für Strangpressprofile sind besonders in der Gesamtkonzeption zu berücksichtigen, da das Herstellungsverfahren und auch die dadurch erreichbaren Toleranzfelder internationalen Normen obliegen. Hierbei ist der Kühlkörper oftmals eine im Gerät verbaute Komponente, welche immer in Zusammenhang mit anderen Bauteilen gesehen werden muss. Für Kühlkörperprofile mit einem umschreibenden Kreis ≤ 300 mm gilt die Presstoleranz nach DIN EN 12020; DIN EN 755 findet Anwendung für Profile mit einem umschreibenden Kreis > 300 mm.

Eine optimale wärmetechnische Kontaktierung bzw. Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper wird oftmals aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie deren Torsion in Längsrichtung erheblich erschwert. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs, zum Beispiel für große IGBT-Module, werden nach Herstellerangaben häufig Ebenheiten von < 0,02 mm gefordert, welche ohne jegliche mechanische Nacharbeit presstechnisch nicht herzustellen sind. Je nach Applikation und Einbaubedingungen sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Besondere Toleranzanforderungen – mit geringeren Abweichungen – erfordern auch hier einen zusätzlichen Bearbeitungsaufwand. Halbleitermontageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit werden gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung erreicht. Die Summe aller Vorteile strangepresster Aluminiumprofile, wie beispielsweise die relativ geringen Stück- und Profilwerkzeugkosten, die einfache Prototypenherstellung, die gute thermische Leitfähigkeit des Grundmaterials, das relativ geringe Gewicht, der gute thermische Widerstand sowie die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Varianten, machen Kühlkörper zu einer effizienten und attraktiven Entwärmungskomponente.

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