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Leistungselektronik: Kühlkörper mittels Crimpen und Reibrührschweißen herstellen

Redakteur: Kristin Rinortner

Crimpen und Reibrührschweißen zählen zu den Verfahren, mit denen Hochleistungskühlkörper für leistungselektronische Komponenten heute hergestellt werden. Der Artikel gibt einen Überblick zur Technik.

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Hochleistungskühlkörper: Crimped Kühlkörper bieten eine hohe Leistungsdichte auf kleinstem Raum und sind damit geeignet für die Kühlung von Grafikkarten und CPUs.
Hochleistungskühlkörper: Crimped Kühlkörper bieten eine hohe Leistungsdichte auf kleinstem Raum und sind damit geeignet für die Kühlung von Grafikkarten und CPUs.
(Bild: Schmoll_Detmar_Bremen_Germany / CTX)

Rippenkühlkörper sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche die klassische Kühlkörperbauform in vielen Elektronikanwendungen. Abhängig von der jeweiligen Applikation, das heißt, je nach geforderter Kühlleistung und verfügbarem Bauraum, werden unterschiedliche Werkstoffe, Kühlkörperformen und Fertigungsmethoden verwendet.

Gecrimpte Kühlkörper für die CPU-Kühlung

Ein Beispiel sind Kühlkörper mit eingepressten Rippen, sogenannte „Crimped“ Kühlkörper. Die individuell gestaltbaren Kühlkörper eignen sich für die Kühlung von Applikationen mit begrenztem Bauraum – wie Grafikkarten und CPUs.

Ein Grund dafür ist das optimale Verhältnis von Kühlkörpergewicht, Kühlkörpergröße und Kühlleistung, das durch die Kombination einer Kühlkörperbasis aus Kupfer und Kühlrippen aus Aluminium erzielt wird.

Gecrimpte Kühlkörper bestehen aus einer Bodenplatte, in die die einzelnen Kühlrippen mechanisch eingepresst werden. Sie sind damit eine lotfreie Alternative zu gelöteten Rippenkühlkörpern. Aufgrund der thermischen Spreizwirkung der Kupferplatte bleiben die Wärmewiderstände am Übergang zwischen Basis und Rippen sehr klein.

Je nach abzuführender Verlustleistung und dem zur Verfügung stehenden Bauraum können gecrimpte Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer gefertigt werden. Typisch ist die Kombination einer Kühlkörperbasis aus Kupfer mit eingepressten Aluminiumrippen, da auf diese Weise eine optimale Effizienz und Wirtschaftlichkeit erreicht wird.

Die spezifische Kühlleistung der Kühlkörper kann durch Aluminiumrippen mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur bei gleicher Grundfläche und Rippengeometrie des Kühlkörpers zusätzlich variiert werden.

So nimmt die Kühlwirkung mit zunehmender Rippenoberfläche zu – von glatten über geriffelte bis hin zu gestanzten Kühlrippen. Für eine weitere Steigerung der Kühlleistung ist ebenfalls die Kombination mit Heatpipes möglich.

Die Oberfläche gecrimpter Kühlkörper lässt sich einfach verändern. Oberflächenbehandlungen wie Lackieren, Eloxieren oder Pulverbeschichten sind gängig. CTX hat gecrimpte Kühlkörper im Programm und führt auch die Oberflächenbehandlungen durch.

Reibrührschweißen als Fertigungstechnik

In moderner Leistungselektronik muss die Verlustleistung mithilfe kompakter und effizienter Kühllösungen schnell abgeführt werden. Dabei lassen sich mit Fertigungstechniken wie dem Reibrührschweißen (engl. Friction Stir Welding, FSW) schlanke Kühlkörper mit extrem großer wärmeleitender Oberfläche fertigen.

Das Reibrühschweißen gehört zu den Verfahren des Pressschweißens, das u.a. in der Automobilindustrie, Luftfahrt und im Schiffsbau viele Anwendungen findet. In der Automobilfertigung werden mit dieser Methode beispielsweise Auslassventile für Verbrennungsmotoren in großen Stückzahlen geschweißt.

Die relativ junge Technik, die 1991 von Wayne Thomas am Welding Institute in Cambridge (Großbritannien) entwickelt wurde, eignet sich besonders für die Herstellung von Kühlkörpern aus Aluminium. Dabei erzeugt ein verschleißfestes, rotierendes Werkzeug so viel Wärme und Druck auf die Fügepartner, dass die erwärmten Materialien fließen und sich in der Fügezone vermischen.

Durch eine Vorwärtsbewegung des Werkzeugs entsteht eine Schweißnaht, die sich durch eine kleine Wärmeeinflusszone auszeichnet. Diese Schweißnähte sind hochfest, dicht und weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Da unterhalb der Schmelzpunkte der Werkstoffe gearbeitet wird, erfolgen keine Gefügeveränderungen und es gibt wenig Verzug. Hochleistungskühlkörper, die durch Reibrührschweißen hergestellt werden, finden sich im Produktprogramm verschiedener Hersteller von Kühllösungen.

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