Metallkühler für Leistungsbauteile aus dem 3D-Laserdrucker

| Autor / Redakteur: Thomas Ebert * / Gerd Kucera

Bild 1: Herstellungskette eines 3D-gedruckten Bauteiles aus Metallpulver von der Datenaufbereitung bis zum fertigen Bauteil.
Bild 1: Herstellungskette eines 3D-gedruckten Bauteiles aus Metallpulver von der Datenaufbereitung bis zum fertigen Bauteil. (Bild: IQ Evolution)

Eine unaufhaltsame Steigerung der Packungsdichte fordern die Elektronikkühlung und das geschickte Wärme-Management immer wieder heraus. Abhilfe schafft ein Metallkühler, der einfach aus einem 3-D-Drucker hergestellt werden kann – maßgeschneidert auf Produkt und Problem.

Inzwischen können die heute hohen Wärmestromdichten leistungselektronischer Bauguppen und Power Devices mit hoher Leistungsdichte mittels der üblichen Methoden nur unzureichend abgeführt werden. Diese Problematik ist aus dem Bereich der Hochleistungsdiodenlaser schon lange bekannt und wird dort durch den Einsatz sogenannten Mikrokühler oder auch Mikrokanal-Wärmesenken gelöst. Dies sind aktive kleine Kühlelemente, welche bis zu 1000 W/mm2 übertragen können.

Seit einiger Zeit kommen zur Kühlung dieser Hochleistungsdiodenlaser auch Mikrokühler zum Einsatz, die mit einem patentierten Metall-3D-Druck-Verfahren von der IQ evolution aus Aachen entwickelt und hergestellt werden. Der folgende Artikel beleuchtet, wie diese Technologie auch im Bereich der Leistungselektronik erfolgreich eingesetzt werden kann.

So funktioniert das 3D-Metalldruck-Verfahren

Das Selective Laser Melting (kurz SLM) ist ein Pulverbett-basiertes Verfahren aus der additiven Fertigung, mit dem sich auch sehr kleine Strukturen per Laser herstellen lassen. Dazu wird zunächst ein CAD-Modell des zu fertigenden Bauteiles erstellt und dieses in viele kleine Schichten zerlegt. Bei kleinen Strukturen sind die Schichten zwischen 20 und 30 µm dick.

Parallel dazu wird auf eine Substratplatte das entsprechende Metallpulver in der gleichen Stärke aufgebracht. Nun schreibt der Laserstrahl die vorgegebenen Konturen auf die Substratplatte und schmilzt dabei die Pulverschicht auf, die sich anschließend wieder verfestigt. Dadurch entsteht ein Abbild der ersten Schicht aus Metall. Für die nächste Schicht senkt sich die Substratplatte ab; neues Pulver wird in Schichtstärke zugeführt und der Vorgang wiederholt sich. So erhält man nach dem „Drucken“ aller Schichten ein echtes Metall-Abbild des ursprünglichen CAD Modells. Und dort, wo der Laserstrahl nicht hingelenkt wurde, befinden sich nun die gewünschten Hohlräume und inneren Strukturen.

Obwohl dieses Verfahren lange Zeit seinen Schwerpunkt im Bereich des Prototyping hatte, wird es heute vermehrt auch in der Serienfertigung eingesetzt (Rapid Manufacturing). Die Vorbehalte hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit sind inzwischen größtenteils entkräftet.

Bei einer entsprechenden Ausnutzung des Maschinenbauraums können zum Beispiel mehrere 100 Bauteile gleichzeitig aufgebaut werden, wobei es unerheblich ist, ob es sich um gleiche oder verschiedene Bauteile handelt; maßgeblich für den Herstellungspreis ist lediglich die Laufzeit des Aufbaus.

Für den Einsatz von 3D-gedruckten Metallkühlern in der Leistungselektronik sollen im Folgenden drei Beispiele aufgezeigt werden: nachträglicher Einsatz eines 3D-Druck-Kühlers, Einsatz eines 3D-Druck-Kühlers bei Design und Aufbau eines DC/DC-Wandlers, Entwurf und Aufbau einer Multilayer-Platine mit integriertem Mikrokühler. Um die Möglichkeiten des 3D-Druck-Verfahrens optimal zu nutzen, ist es von Vorteil dies bereits in der Planungsphase einzubeziehen. Dies werden die beiden letzten Beispiele recht eindrucksvoll zeigen. Ist das thermische Problem erst im realen Betrieb des fertigen Systems aufgetaucht, selbst dann kann ein 3D-gedruckter Metallkühler die passende Lösung sein. Dazu folgende Situation: Bei der Inbetriebnahme einer Platine stellte sich heraus, dass vier der dort platzierten Bauteile unzulässig warm wurden. Diese vier Bauteile lagen relativ dicht beieinander mit einem Zwischenraum, der weiterhin von oben zugänglich sein musste.

Die zu kühlenden Bereiche der Bauteile sind durch vier Rechtecke charakterisiert (Bild 2). Diese sind etwa 2,6 mm x 5 mm groß. Die Bereiche dazwischen sollen frei bleiben; über den Bereichen der Sockel darf sich nichts befinden. Mit diesen Geometrievorgaben wurde nun ein Metall-Kühlkörper im 3D-Druck entworfen, der alle Anforderungen erfüllt.

Mit dem Einsatz des in Bild 3 gezeigten Kühlers konnte die thermische Belastung bis weit unter die kritische Grenze reduziert und Funktion sowie geforderte Lebenszeit des Bauteiles sicher gestellt werden. Die abgeführte Wärmeleistung beträgt dabei mit 148 W noch nicht einmal die Hälfte der möglichen Kühlleistung, welche mit diesem Kühler möglich wäre, und führt zu einem thermischen Gesamtwiderstand von 0,061 K/W.

1000-W-Kühler für vier 1000-V-SiC-MOSFETS

Ganz andere Möglichkeiten bieten sich, wenn bei der Auslegung einer Schaltung die aktive Wasserkühlung direkt mit einbezogen wird, wie zum Beispiel bei der Auslegung des folgenden DC/DC-Wandlers, entworfen vom Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen (ISEA).

Der Kühler wurde konzipiert, um vier diskrete 1000-V-SiC-MOSFETs in einem TO-247 Gehäuse gleichzeitig zu kühlen, die Kühlleistung wurde mit 1000 Watt ausgelegt. Aufgrund der sehr hohen Kühlleistung der eingesetzten 3D-Druck-Kühler konnten die zu kühlenden Bauteile räumlich sehr nahe bei einander platziert werden.

Der Kühler selbst besteht aus reinem Nickel; mit diesem Material ist eine ausreichende thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität verbunden. Langzeitversuche über 30.000 Stunden haben gezeigt, dass Mikrokühler aus Nickel wesentlich langzeitstabiler sind als beispielsweise Kühler aus Kupfer. Auch lokal sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten können dem Innenleben der Nickelkühler nichts anhaben, selbst beim Einsatz von de-ionisiertem Wasser.

Die restlichen Platinen und Bauteile, inklusive eines Trafos, wurden konsequenterweise um das zentrale Kühlelement herum geschachtelt, um einen möglichst geringen Bauraum bei maximaler Leistung zu erreichen.

Das Bild 5 zeigt den Bidirektionalen Boost-Konverter mit einer 1-€-Münze als Größenvergleich. Der Wandler verfügt über folgende Daten: Vin = 400 V, Vout = 800 V, fs = 400 kHz und Pout = 15 kW.

Dieser Power-Zwerg wiegt lediglich 0,735 kg und hat damit ein Leistungsgewicht (Leistungsdichte) von 20,9 kW/ kg. Damit ist der DC/DC-Wandler etwa 13-fach leichter als derzeitig am Markt verfügbare Geräte mit ähnlichen Leistungsdaten.

Noch deutlicher werden die Vorteile einer solchen konsequenten Umsetzung der technischen Möglichkeiten, wenn das Bauvolumen betrachtet wird. Elektronik und Drosseln benötigen insgesamt nur 0,48 dm3. Das Leistungsvolumen beträgt 32,6 kW pro dm3, damit ist der Winzling ungefähr 30 fach kleiner als vergleichbare Wandler.

Auch hier wurde für den Kühler wieder reines Nickel verwendet. Ausgelegt ist der Kühler ursprünglich für 4 x 250 W, also 1 kW Kühlleistung. Während der Versuche wurde er aber insgesamt lediglich mit 200 W belastet (@ 15 kW) , hier ist also noch deutlich Luft nach oben.

Die Temperaturerhöhung der MOSFETs betrug dabei 0,9 K, sodass sich der thermische Gesamtwiderstand zu 0,0045 K/W ergibt. Weitere Versuchsreihen haben gezeigt, dass sich bis zu 19 kW übertragen lassen, ohne dass sich die Temperatur der MOSFETs nennenswert ändert. Auch hier ist der 3D-gedruckte Kühler also nicht an seine Leistungsgrenze gestoßen, es sollten wesentlich höhere Verlustleitungen abgeführt werden können.

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