Metallkühler für Leistungsbauteile aus dem 3D-Laserdrucker

| Autor / Redakteur: Thomas Ebert * / Gerd Kucera

Die einzige Lösung: der Kühler muss in die Platine

Das Potenzial dieser 3D-Druck-Kühltechnik wird ebenso eindrucksvoll durch das nächste Beispiel aufgezeigt. Hier wurde für eine HF-Multilayer-Platine (entworfen von der IMST aus Kamp-Lintfort) eine wirkungsvolle Kühlung für Leistungsbauteile benötigt. Der herkömmliche Weg wäre eine Multilayer-Platine mit einem Kupferkern, welcher zumindest die anfallende Wärme verteilt und ggf. an anderer Stelle über weitere Kühlelemente wieder abgibt.

Dazu müssen idealerweise die Wärmequellen gleichmäßig über die Platine verteilt werden, um keine Konzentrationen in der Wärmeeinbringung zu verursachen. Dies widerspricht aber der Notwendigkeit, genau diese Bauteile aus anderen technischen Gründen möglichst nahe bei einander zu platzieren. Außerdem sorgt die Verwendung solcher flächigen Kühlplatten dafür, dass eine Durchkontaktierung der Bereiche oberhalb der Kupferplatte zu den Bereichen unterhalb der Platte, sogenannte VIAs, aufwändiger wird, da diese noch einmal extra gegen die Kühlplatte auf der gesamten Platinenfläche elektrisch isoliert werden müssen. Daher wurde seitens der IMST nach neuen Lösungen gesucht.

Fündig wurde man mit der 3D-Druck-Kühler-Lösung. Zunächst war zu prüfen, ob und in wie weit die zu kühlenden Bauteile (wie im ersten Beispiel beschrieben) von der Rückseite gekühlt werden könnten. Dem widersprach aber unter anderem die Notwendigkeit die Bauteile von oben über kleinste Drähte zu kontaktieren. Folglich blieb nur noch eine Kühlung von unten, also durch die Platine hindurch. Dies wäre möglich gewesen, aber durch den Wärmepfad durch die Platine hindurch wäre die Kühlleistung stark reduziert worden. Außerdem war es der Wunsch des Designers, die Unterseite der Platine für die Platzierung weiterer Bauteile und Schaltungen vorzuhalten. Die Lösung für dieses Dilemma zeigte sich so einfach wie wirkungsvoll: Eine Platzierung des Kühlers oben auf dem Bauteil ist nicht möglich, eine Platzierung unter der Platine ist nicht erwünscht, folgerichtig wurde der Kühler in die Platine integriert.

So einfach sich die Lösung zunächst anhörte, so mussten dennoch einige Hürden auf dem Weg der Realisierung genommen werden. Zunächst wurde der Bereich der späteren Kühlung identifiziert, der etwa 32 mm x 34 mm betrug. Die notwendige Dicke für die Kühlstrukturen sowie Wasser-Zu- und -Abfuhr, errechnete sich zu 0,8 mm. Ausgelegt wurde der Kühler wieder für eine Kühlleistung von 1 kW, um genügend Reserven zur Verfügung zu haben. Da der Kühler nicht wesentlich größer ist als die zu kühlende Fläche, müssen lediglich VIAs, die durch den Kühler hindurch gehen, zusätzlich isoliert werden. Alle anderen Durchkontaktierungen können in einfacher Art und Weise ausgeführt bleiben.

Zur Herstellung der Platine wird nun der Kühler an der gewünschten Stelle eingelegt und die nicht durch den 3D-Druck-Kühler belegten Stellen mit nicht leitendem Platinenmaterial aufgefüllt. Anschließend werden die einzelnen Layer mit den Schaltungen oberhalb und unterhalb der Kühlebene hinzugefügt. Als letzter Arbeitsgang erfolgt das Brennen der Keramik bei ungefähr 850 °C.

Das Bild 6 zeigt einen Ausschnitt einer auf diese Art und Weise hergestellten Platine. Deutlich zu sehen ist einer der Wasseranschlüsse, in diesem Fall ausgeführt als O-Dichtring-Lösung. Im Hintergrund erkennbar sind die bereits vorhandenen Pads, die in einem nächsten Schritt mit den zu kühlenden Bauteilen bestückt werden. Diese Kühllösung ist natürlich nicht nur auf HF-Platinen beschränkt. Überall dort wo Multilayer-Platinen zum Einsatz kommen und wo mit erhöhter Verlustwärme zu rechnen ist, kann diese Technologie eingesetzt werden.

Um das Potenzial dieser Art von Kühlern vollständig auszuschöpfen ist aber eine frühe Einbindung des Herstellers anzuraten. Nur im gemeinsamen Dialog können die Möglichkeiten dieses Herstellungsverfahrens aufgezeigt und anschließend durch alle Beteiligten zufrieden stellend umgesetzt werden.

Auf der PCIM 2018 gibt es zudem zwei Vorträge zum Thema "Metallkühler für Leistungsbauteile aus dem 3D-Laserdrucker": Hendrik Wienhausen (Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe der RWTH Aachen, ISEA) hält am Mittwoch den 6.5. um 11:15 (NCC Mitte, Raum Brüssel 2) einen Vortrag zu einem gekühlten Wandler. Im Anschluss hält am Mittwoch 6.5. um 13:00 Thomas Ebert (Geschäftsführer IQ Evolution) einen Vortrag im Ausstellerforum (Halle 7 Stand 507) mit Schwerpunkt auf den Einsatz von 3D-Kühlern generell.

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

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