Fachartikel

Hochleistungskühlkörper

Skived Fin-Verfahren für Kühlkörper aus einem Block

Skived Fin-Verfahren für Kühlkörper aus einem Block

Die Leistungsanforderungen an moderne Hochleistungselektroniken steigen stetig – und damit auch die Anforderungen an die Kühlung. Um eine hohe spezifische Leistungsdichte bei Kühlkörpern zu gewährleisten, setzt CTX Thermal Solutions unter anderem auf das Skived Fin-Verfahren. 

 

Mit dem Vertrieb von Sensoren und Kühlkörpern fing 1998 alles an. Heute – ein Vierteljahrhundert später – zählt CTX mit einem einzigartigen umfassenden Produktprogramm zu den führenden Anbietern von Kühllösungen in Europa. Dieser Erfolg zeigt sich auch beim Personal und im Umsatz: So wurde im letzten Jahr zum zweiten Mal in Folge ein Umsatzplus von mehr als 40% erwirtschaftet. In diesem Jahr vergrößert sich der Spezialist für Kühllösungen zum wiederholten Mal auch in der Fläche durch den Bau eines weiteren Plusenergiegebäudes am Firmensitz in Nettetal. Das Mehrzweckgebäude bietet auf 600 m2 den dringend benötigten Raum für weitere Arbeitsplätze und Meetingräume sowie die Möglichkeit für Veranstaltungen und Schulungen. 

Herstellungsverfahren für Hochleistungskühlkörper 

Bei elektronischen Bauteilen geht der Trend zu mehr Leistung auf weniger Bauraum. Das bringt jedoch einen unangenehmen Nebeneffekt mit sich: Durch die höhere Verlustleistung entsteht mehr Wärme, die abgeführt werden muss. Für diesen Zweck bietet CTX eine Vielzahl von passenden Kühlkörpern mit passiver oder aktiver Kühlung. Falls ein Standardprodukt nicht ausreicht, konzipiert das Unternehmen aus Nettetal eine individuelle Lösung auf Basis einer thermischen Simulation. 

Je nach Geräte- bzw. Elektronikdesign kommen bei der Kühlung der Leistungselektronik die unterschiedlichsten Kühlkörpertypen, Materialien und Herstellungsmethoden zum Einsatz. Fertigungstechnologien wie Extrusion, Stanzbiegetechnik oder Schälen (Skived) von Lamellen aus dem Block sorgen für eine extrem große wärmeleitende Oberfläche auf kleinstem Raum sowie für einen minimalem Wärmewiderstand zwischen Kühlkörperbasis und Kühlrippen. 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 von CTX gemein ist ihre Passgenauigkeit und eine effektive Wärmeableitung. 

Geschälte Rippen für Hochleistungskühlkörper 

Die Aufgabe eines Kühlkörpers ist die schnelle und effiziente Entwärmung von Leistungselektronik. 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, das CTX schon lange anbietet. 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. 

Durch Erweiterung des Maschinenparks ergeben sich nun neue Möglichkeiten bei diesem Verfahren. Mit der neuen Schälmaschine kann CTX nun Hochleistungskühlkörper mit noch höheren und feineren Rippen sowie minimierten Abständen zwischen den Rippen als bisher produzieren. Das Nettetaler Unternehmen kann nun folgende maximale Kühlkörper-Parameter realisieren: 

  • Rippenstärke (Fin Thickness): Al: 0,1– 2,0 mm; Cu: 0081 mm – 2,0 mm 
  • Länge der Kühlkörper: Al und Cu: 10 mm – 2.900 mm 
  • Breite der Kühlkörper: Al und Cu: 10 mm – 900 mm 
  • Rippenhöhe (Fin Height): Al und Cu: 1 mm – 180 mm 
  • Rippenabstand Mitte zu Mitte (Fin Pitch): Al: 0,2 –12 mm; Cu: 0,16 mm – 12 mm. 

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

Realisierbare Lamellenhöhe und -dicke 

Die realisierbare Lamellenhöhe und Lamellendicke 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 2900 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. 

Der Skived-Kühlkörper kann dabei 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 ideal für die Muster- oder Kleinserienfertigung. 

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

Zusammengefasst ergeben sich durch das Skived Fin-Verfahren folgende Vorteile: 

  • 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. 

Der richtige Werkstoff 

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. 

Beim klassischen Herstellverfahren 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 von sehr hoher Plastizität, Korrosionsbeständigkeit, leichter 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). Weitere positive Eigenschaften sind, dass Reinaluminium gezogen und gebogen werden kann. 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. 

Autor: Wilfried Schmitz, Geschäftsführender Gesellschafter, CTX Thermal Solutions GmbH 

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