Kalt fließgepresste Kühlkörper
Wilfried Schmitz, CTX Thermal Solutions GmbH
Das formgebende Verfahren des Fließpressens findet vor allem bei der Verarbeitung von Reinaluminium (AL1070/AL1050), aber auch von Reinkupfer (CU1100/CU1020) Verwendung. Dazu wird ein flacher Metallrohling, der in etwa das gleiche Volumen wie das fertige Produkt besitzt, bei Raumtemperatur unter hohem Druck zum Fließen gebracht. Das Material füllt dabei sukzessive alle Hohlräume des Formwerkzeugs aus. Typischerweise sind die Fließpressteile rund und symmetrisch aufgebaut, es sind aber auch individuell geformte Teile möglich.
Fließpressteile zeichnen sich durch zahlreiche positive Eigenschaften aus: Ihre Materialstruktur ist extrem homogen und dicht, da der spezielle Umformprozess die Bildung von Luftblasen und Lunkern sowie den Einschluss von Fremdkörpern verhindert. Als Konsequenz daraus ist die thermische Leitfähigkeit des fertigen Produkts höher als die des Rohmaterials. Oberflächenqualität und Formgenauigkeit sind außerdem so hoch, dass eine mechanische Nachbehandlung nur in ganz wenigen Anwendungsfällen erforderlich ist. Insgesamt sind Fließpressteile exzellente Wärmeleiter und nahezu frei in der Formgebung.
Gestalterisch vielfältig
Aufgrund dieser Charakteristiken eignet sich das Verfahren des Fließpressens sehr gut für die Herstellung von leistungsstarken Stiftkühlkörpern für die Entwärmung von Hochleistungs-LEDs. Überdies können kalt fließgepresste Kühlkörper in vielen Anwendungen kleinere Aluminiumdruckgusskühlkörper ersetzen. Das Verfahren des Fließpressens bietet sich besonders für die Produktion kleiner, projektspezifischer Serien an. Denn der Formgebung der Stifte und Rippen sind kaum gestalterische Grenzen gesetzt: Von zylindrischen Stiften über dünne Lamellen bis hin zu quadratischen Stab- oder hexagonalen Säulenformen ist alles möglich. Die Dicke kann bis zu 0,7 mm betragen, bei einer Minimaldistanz zwischen den einzelnen Stiften von 1 mm.
Schwarz auf Weiß
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Die dünnen und dicht gesetzten Rippen vergrößern die kühlende Oberfläche wesentlich und unterstützen damit die Konvektion. Da sich die Luft in kalt fließgepressten Kühlkörpern zudem in drei Richtungen bewegt, statt nur in zwei Dimensionen wie in extrudierten Kühlkörpern mit langen Kühlrippen, ist ihre Kühlleistung höher. Auch bei der Formgebung hat man großen Spielraum. Darüber hinaus ist die Kombination mit Heatpipes ebenso möglich wie das Aufbringen einer Kupferplatte auf dem Aluminium Kühlkörper. Beide Optionen begünstigen einen kontrollierten Wärmetransport.
Der Formgebung sind bei fließgepressten Kühlkörpern kaum Grenzen gesetzt – selbst Aussparungen im Stiftbett, beispielsweise für den Einbau von Lüftern, sind möglich. (Bild: CTX Thermal Solutions)
Passgenaue Kühllösungen
Amphenol FCI (jetzt Amphenol ICC) etwa hat sich aus genau diesen Gründen an CTX Thermal Solutions gewendet, als es darum ging, die Hochleistungsserver eines Datacenters auf engstem Raum zu kühlen. Konkret ging es darum, die Wärmeabfuhr eines High-Density-RZ zu gewährleisten. Um die Kühlleistung auf der verfügbaren Grundfläche von 18 × 18 mm zu erhalten, waren besonders lange, 25 mm hohe Stifte erforderlich, wie sie nur im Fließpressverfahren machbar sind.
Überdies kann man Basis und Stifte genau dem zu kühlenden elektronischen Bauteil entsprechend formen und auf diese Weise den Kontakt zwischen Bauteil und Kühlkörper optimieren. Da das Fließpressen eine hochpräzise Formgebung erlaubt, gelangt die Wärme direkt ohne jeden Mediator und damit ohne zusätzlichen Widerstand in die Kühlrippen. Das ist ein wesentlicher Vorteil von fließgepressten Kühlkörpern beispielsweise gegenüber Druckgusskühlkörpern sowie gefrästen und gelöteten Varianten, bei denen durch das Herstellungs- bzw. Fügeverfahren Lücken oder eine Luftschicht zwischen Bauteil und Kühlkörper und damit ein höherer thermischer Widerstand nicht ausgeschlossen werden können. Hinzu kommt eine besonders glatte Oberfläche. Diese kann durch Anodisieren wahlweise silbern, schwarz, rot oder weiß gefärbt oder auch elektrolytisch vernickelt werden – ohne Einschränkungen der Kühlleistung.
CTX bietet projektspezifische LED-Kühlkörper in den unterschiedlichsten Formen und mit exzellenter Wärmeleitfähigkeit aus Reinaluminium, aber auch (hier nicht im Bild) aus Reinkupfer. (Bild: CTX Thermal Solutions)
Kosteneffiziente Wärmeabfuhr
Im Fließpressverfahren produzierte Kühlkörper bestehen aus Reinaluminium oder Reinkupfer. Ihre thermische Leitfähigkeit ist mit 226 W/mK deutlich höher als die von Aluminiumdruckgusskühlkörpern (96 W/mK) und extrudierten Aluminiumkühlkörpern (155 bis 200 W/mK). Bei gleichem Design und Volumen besitzt ein kalt fließgepresster Aluminiumkühlkörper daher eine deutlich höhere Kühlleistung als ein Druckgusskühlkörper oder ein extrudierter Kühlkörper. Er ist beispielsweise in der Lage, eine 5-W-LED-Leuchte zu kühlen, während ein Druckgusskühlkörper gleichen Designs lediglich eine 3-W-LED entwärmt. Anders ausgedrückt: Kalt fließgepresste Kühlkörper können wesentlich kleiner dimensioniert werden als Druckguss- oder extrudierte Aluminiumkühlkörper. Das bedeutet: Man kann auch die LED-Lampen, das Zubehör und andere Elektroniklösungen kleiner auslegen, was wiederum zu deutlichen Kosteneinsparungen führt.
Zugleich ist ein kalt fließgepresster Aluminiumkühlkörper zweimal leichter als die entsprechende Druckgussvariante. Da auch die Werkzeugkosten rund 10 bis 20 % niedriger liegen, sind kalt fließgepresste Kühlkörper insgesamt um 20 % günstiger – und das, obwohl teureres Reinaluminium verwendet wird.
Für harte Fälle Kupfer
Wenn besonders viel Hitze abgeführt werden muss, kommen Kühlkörper aus reinem Kupfer (C1100, C1020) zum Einsatz, deren Wärmeleitfähigkeit (400 W/mK) die von Reinaluminium noch einmal deutlich übersteigt. Kühlkörper mit Kupferbodenplatten werden zum Beispiel für die Kühlung von leistungsstarken IGBT-Modulen verwendet (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode).
CTX Thermal Solutions fertigt per Kaltfließpressen auch Kombinationen aus einer Kupferbodenplatte mit Kühlstiften aus Reinaluminium zur schnelleren Wärmeabfuhr. (Bild: CTX Thermal Solutions)
Lösungen für Hochleistungsszenarien
Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit und -verteilung sowie eine präzise verarbeitete Oberfläche sind entscheidend für die effiziente Kühlwirkung eines Kühlkörpers. Kalt fließgepresste Kühlkörper bringen in all diesen Bereichen sehr gute Werte mit. Ihre Kühlleistung ist daher 200 % höher als gleich dimensionierte Druckgusskühlkörper und 100 % höher als extrudierte Kühlkörper. Daher sind kalt fließgepresste Kühlkörper derzeit bereits die Bauteile der Wahl für Hochleistungs-LEDs und eine sinnvolle Option für alle Einsatzbereiche, in denen kompakte und zugleich leistungsfähige Kühllösungen nach Maß gefragt sind.
Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer der CTX Thermal Solutions GmbH im nordrhein-westfälischen Nettetal. Das Unternehmen ist Spezialist für projekt- und anwendungsspezifische Kühllösungen. Das Kühlkörper-Portfolio von CTX reicht von nur wenige Millimeter großen und einige Gramm leichten Kühlelementen für SMD-Bauteile bis hin zu 200 kg schweren Flüssigkeitskühlkörpern für Wechselrichter in Eisenbahnen, von Lösungen für die Automobil-, Haushalts- und Unterhaltungselektronik bis zu Hochleistungskühlkörpern für industrielle Netzteile, Computer oder die Haus- und LED-Technik.
CTX Thermal Solutions GmbH, Lötscher Weg 104, 41334 Nettetal, Tel.: 02153-7374 -0, info@ctx.eu, www.ctx.eu
