Leistungshalbleiter Kompakte Fluid-Kühllösung mit hoher Wärmestromdichte

Autor / Redakteur: Thomas Ebert * / Gerd Kucera

Wenn nur wenig Bauraum zur Ableitung der Verlustwärme von Leistungshalbleitern zur Verfügung steht, können diese Mikrokühler mit mehreren hundert W/cm2 Wärmestromdichte helfen.

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Bild 1: 
Der 3D-Druck-Kühler IQ-Big 53 (rechts im Bild) 
ist für die Montage von zwei Semitop-Modulen vorgesehen.
Bild 1: 
Der 3D-Druck-Kühler IQ-Big 53 (rechts im Bild) 
ist für die Montage von zwei Semitop-Modulen vorgesehen.
(Bild: IQ evolution)

Metall-Kühlkörper aus dem 3D-Drucker entwärmen Leistungsbauteile mit einer sehr hohen Wärmestromdichte sicher und zuverlässig. Nicht selten werden dabei Wärmestromdichten von mehreren hundert W/cm2 erreicht, die verhindern, dass sich die Halbleiter unzulässig aufheizen. Den Nutzen für leistungselektronische Schaltungen und welche Einsparungen in Gewicht und Volumen möglich sind, skizziert der Artikel.

Für die seit 2006 im 3D-Druck hergestellten Fluid-Kühler nutzt die IQ evolution in Aachen das Verfahren Laser Powder Bed Fusion, kurz LPBF. Es wird auch als selektives Laserschmelzen bezeichnet. Im CAD-System konstruierte mechanische Bauteile werden in einzelne Schichten zerlegt, den Layern. Dieses Schichtmodel wird über einen Umweg über die Datenaufbereitung direkt auf den 3D-Drucker ausgegeben. Solche Drucker sind Anlagen, die mittels Laserstrahl die einzelnen Schichten nacheinander in ein Pulverbett schreiben. Dadurch entstehen ohne die Verwendung von weiteren Werkzeugen sehr komplexe Bauteile, die sich mit Innenstrukturen versehen lassen, die mit keinem anderen Fertigungsverfahren herstellbar sind.

Ein Lösungsansatz und viele Anwendungsmöglichkeiten

In die Elektronik-Entwicklungslabore haben 3D-gefertigte Kühler aus Edelstahl längst Einzug gehalten. Dort werden beeindruckende Ergebnisse hinsichtlich der Kühlleistung und Leistungsausbeute der gekühlten Bauteile erzielt, allen voran stehen State-of-the-art-SiC-Bauelemente (Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid). Diese SiC-Elemente sind mit Wirkungsgraden von 97 bis 99 Prozent in der Lage, sehr hohe Leistungen zu übertragen. Einzig die abzuführende Verlustleistung beschränkt diese Elemente im realen Einsatzfall. Die zuverlässige Abfuhr der entstandenen Verlustwärme bestimmt die Performance der Leistungselektronik.

Neben der Verwendung bei den aktiven Elementen rücken in letzter Zeit auch die passiven Elemente in den Fokus der Aachener Kühlerdruckerei. Auch hier, zum Beispiel bei Hochstromspulen, gibt es erhöhten Kühlbedarf. Spätestens wenn mehrere solcher Spulen in ein Gehäuse gepackt sind, wird es im Inneren zu warm für den sicheren Betrieb. Die IQ Thincooler beispielsweise sind an dieser Stelle eine geeignete Lösung, denn mit 0,8 mm Dicke lässt sich fast immer noch ein Platz für den Kühleinsatz finden.

Auch die Entwärmung von Chips zur grafischen Aufbereitung von Fahrzeugsensordaten lässt sich mit solchen Kühlkörpern zuverlässig und Platz sparend realisieren. Meist sogar ohne die umschließenden Gehäuse signifikant zu verändern.

Eine weitere Lösung, an der wir arbeiten, ist die Kühlung von Stromschienen. Diese Busbars verbinden in der Leistungselektronik Komponenten mit hohen Strömen untereinander. Die hier entstehende unerwünschte Wärme durch den elektrischen Widerstand im Inneren der Leiter und an den Kontaktstellen müssen effektiv abgeführt werden. Auch zu diesem neuen Anwendungsfeld erarbeiten wir derzeit geeignete Lösungen.

Die Metalle und ihre Wärmeleitfähigkeit

Zur Umsetzung in der Serienfertigung hat sich das Entwickler-Team der IQ evolution dem Metall-3D-Druck von kleinen Strukturen für die direkte Bauelementeentwärumg verschrieben. Eigentlich sind die Vorbehalte immer die gleichen: Metall sei zu schwer, in der Herstellung zu teuer und das Verfahren auch nicht serientauglich, erst recht nicht für Stückzahlen im Millionenbereich pro Jahr. Die aber seien in der Automobilindustrie üblich. Außerdem würde das verwendete Material, Edelstahl 1.4404, von seiner Wärmeleitfähigkeit doch weit hinter Kupfer und Aluminium zurückfallen.

Diese Pulvermenge des Edelstahls 1.4404 wird für den Aufbau eines IQ-Big 53 benötigt.
Diese Pulvermenge des Edelstahls 1.4404 wird für den Aufbau eines IQ-Big 53 benötigt.
(Bild: IQ evolution)

Im Prinzip sind das richtige Überlegungen, doch auf den gegebenen Blickwinkel kommt es an. Natürlich hat Edelstahl eine wesentlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer oder Aluminium, allerdings muss die abzuführende Wärmemenge dafür auch nur einen Weg von ca. 150 µm zurücklegen. Bei diesen geringen Wandstärken ist der Wärmewiderstand im Vergleich zu den restlichen Wärmewiderständen vernachlässigbar gering.

Auch ist die Art und Weise der Kühlung zu betrachten: Bei Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit wird eine möglichst große Oberfläche angestrebt, um den Wärmeaustausch zu erreichen. Bei den IQ-evolution-Kühlern ist das verwendete Prinzip ein anderes, hier werden gezielt Turbulenzen erzeugt, um die Wärme abzutransportieren. Daher ist es für diese Art der Kühlung auch völlig unerheblich, aus welchem Material die inneren Strukturen bestehen. Hinsichtlich der Wärmeleitung sind sie ohnehin nicht am Wärmeaustausch beteiligt.

Nutzlos sind sie allerdings keineswegs, tragen sie doch durch ihre spezielle Form und Oberfläche maßgeblich zur guten Kühlleistung bei. Daher bezeichnen wir die Strukturen nicht als Kühlstrukturen, sondern als Turbulatoren. Hinter dieser simplen Feststellung verbergen sich allerdings Jahre intensiver Entwicklungsarbeit. Letztendlich wurden durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz diese Turbulatoren durch aufwendige Optimierungen entwickelt.

Die eingangs erwähnten Vorbehalte kann die IQ evolution mit ihren selbst entworfenen und 3D-gedruckten Kühler für die Leistungselektronik entkräften. Eines der im Portfolio befindlichen Produkte ist eine Variante zur Kühlung von Standardmodulen ohne Baseplate. Je nach Anbieter haben diese Power-Module verschiedene Namen, etwa Easypack oder Flow. Mit diesem Kühlkörpern, beidseitig kühlend, wurden vom Institut für Stromrichtertechnik und elektrische Antriebe der RWTH-Aachen (ISEA) in realistischer Umgebung Kühlleistungen von 700 W pro Seite nachgewiesen, in Summe also 1,4 KW pro Kühler.

Dazu dieses Beispiel: Der in Bild 1 gezeigte Kühler der Baureihe IQ-Big 53 erzielt in seiner Automotive-Version (niedriger Druckverlust, hoher Durchfluss) eine Durchflussrate von 2,2 l/min bereits bei einem Differenzdruck von 100 mbar. Dies ist schon ausreichend, um die genannte Kühlleistungen zu erreichen. Das Gewicht? Der IQ-Big 53 ist ein Leichtgewicht, denn er wiegt gerade einmal 33 Gramm.

Serienfertigung und Preisgestaltung der Kühler

Wie das geringe Gewicht vermuten lässt, ist der IQ-Big 53 schon bei der Konstruktion auf Serienfertigung ausgelegt. Durch Gewichtsoptimierung muss entsprechend weniger Pulver durch den Laserprozess aufgeschmolzen werden, was auch zu einem deutlichen Preisunterschied im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern führt. Der Preis der Bauteile skaliert mit der Laufzeit der Herstellungsanlage. Was nicht aufgebaut werden muss, kostet erst einmal nichts. Bei vielen Bauteilen, die gleichzeitig hergestellt werden, verteilen sich Kosten entsprechend und davon profitiert der Anwender.

Bild 2: Der IQ-Big-53-Kühler aus Bild 1 ist mit den zwei Semitop-Modulen verschraubt (Maße eines Doppelpacks: 60 mm x 55 mm x 24 mm (HxBxT). Das Gewicht beträgt etwa 100 Gramm.
Bild 2: Der IQ-Big-53-Kühler aus Bild 1 ist mit den zwei Semitop-Modulen verschraubt (Maße eines Doppelpacks: 60 mm x 55 mm x 24 mm (HxBxT). Das Gewicht beträgt etwa 100 Gramm.
(Bild: IQ evolution)

Bei der Betrachtung des Preises steht auch die Darstellung des Gesamtsystems im Mittelpunkt. Beispielsweise deshalb, weil durch effiziente Kühlmethoden teure Einzelkomponenten wie SiC-MOSFET verzichtbar sind, sofern die technische Auslegung dies zulässt. Dazu folgendes Beispiel: Gemäß einer Kundenanfrage sollen zwölf Leistungsmodule gekühlt werden, die eine elektrische Gesamtnennleistung von 210 kW liefern. Dafür notwendig ist eine Kühlleistung von 4,2 kW mit mit Kühlplatten.

Die IQ-Lösung dazu: Mit der Kühlleistung von 700 W pro Seite und beidseitiger Bestückung kann zum Beispiel mit Semitop-Modulen des Herstellers Semikron die geforderte Leistung von 210 kW durch nur sechs Module auf drei IQ-Big-53-Kühlern bereitgestellt werden.

Die Einsparungen: Das Bauvolumen des Gesamtsystems ist wesentlich kleiner und das Gewicht ist von vorher etwa 10 kg auf unter 500 Gramm gesunken. Das ist eine Reduktion um den Faktor 20. Zur Preisgestaltung kommen die Modulkosten ins Spiel. Da diese abhängig von der Bezugsquelle sind, ist pauschal kalkulierbar, dass die Halbierung der benötigten Anzahl an Modulen einen eventuellen Mehrpreis der drei Kühler mehr als ausgleichen. Hinzu kommt der Vorteil der Gewicht- und Volumenreduktion.

Beidseitige Kühlung mit 700 W pro Seite

Die angeführten Vorbehalte einer echten Serienproduktion von 3D-Metallkühlern lassen sich abschließend wie folgt einordnen: Grundsätzlich hat das LPBF-Verfahren seine Vorteile im Prototypenbau und in der Flexibilität mit fast unbegrenzter Gestaltungsfreiheit. Als Argument wird immer wieder gerne angeführt, dass eine solche additive Produktion langsam sei und durch die teure Anlagentechnik entsprechend ungeeignet für Großserien. Kleinserien werden dem Verfahren dagegen öfter zugestanden.

Weit verbreitet sind aber 3D-Drucker mit großem Bauraum, allerdings sind diese Maschinen ausgelegt für große Bauteile und weisen daher auch hohe Aufbauraten auf. Damit einhergehend sind große Schichtdicken und ein großer Laserfokus. Beides ist ungeeignet, um die Art kleiner Strukturen aufzubauen, welche für Leistungskühler notwendig sind.

Ein optimierter 3D-Druck-Kühler für Spulenkörper mit integrierten Kontaktdurchführungen an der TU Eindhoven.
Ein optimierter 3D-Druck-Kühler für Spulenkörper mit integrierten Kontaktdurchführungen an der TU Eindhoven.
(Bild: TU Eindhoven, Pelle Weiler.)

Der Markt offeriert aber auch Maschinen, die genau das leisten, was für die Serienfertigung benötigt wird – hohe Stückzahlen bis zu 100.000 Bauteile pro Monat sind möglich. Solche 3D-Druck-Anlagen besitzen einen hohen Grad an Automatisierung; und auch die nachgeschalteten Prüf- und Bearbeitungsprozesse lassen sich vollautomatisiert abbilden, sodass die gesamte Produktion mit entsprechenden Abnahmemengen durchführbar ist.

Speziallegierungen & neue Metallkombinationen

Resümee: Abhängig von den Lösungsanforderungen lassen sich im 3D-Druck-Verfahren verschiedene Metalle und Metalllegierungen für die Kühler verwenden. Für das genutzte Material entscheidend sind die Anforderungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Kühlleistung, Wärmeausdehnung oder elektrische Leitfähigkeit. Bei Bedarf kommen auch Speziallegierungen oder gar neu entwickelte Metallkombinationen zum Einsatz. Es lassen sich auch Hybridkomponenten herstellen, die aus mehreren Materialien bestehen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2021 (Download PDF)

Je nach eingesetztem Kühlermaterial sind Wandstärken ab etwa 80 µm möglich. Für die Oberflächenveredelung und Metallisierung stehen die üblichen Verfahren zur Verfügung. Insbesondere im Bereich des Wärme-Managements sind erfolgte Optimierungen der Durchflussregelung, Mikrostrukturen und Materialeigenschaften von zentraler Bedeutung, um die Produktanforderungen zu erfüllen. Je nach Projektansatz sorgen mehrere Maschinen und große Einkaufsmengen des Pulvers zu Preisreduktionen. Auch die Zentralisierung der Pulverbearbeitung und Pulverzuführung für mehrere Maschinen tragen dazu bei, dass der Preis für einen IQ-Big-53-Kühler in einer Großserie deutlich unter 30 € liegen kann.

* Dr. Thomas Ebert ist Geschäftsführer der IQ evolution, Aachen.

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