Suchen

Was bringen gestanzte Kühlkörper für das Wärmemanagement?

| Autor / Redakteur: Florian Lübke und Alexandra Volkmer * / Kristin Rinortner

Das Stanz-Biege-Verfahren punktet bei der Herstellung von Kühlkörpern durch Formstabilität und Designflexibilität. So können CPU-Kühlkörper auch noch nachträglich eindesignt werden.

Firmen zum Thema

Wärmemanagement: Kundenspezifiisch gestanzte CPU-Kühlkörper sind bei beengtem Platzbedarf in einem passiven Kühlsystem eine hervorragende anwendungsspezifische Möglichkeit der Wärmeabfuhr.
Wärmemanagement: Kundenspezifiisch gestanzte CPU-Kühlkörper sind bei beengtem Platzbedarf in einem passiven Kühlsystem eine hervorragende anwendungsspezifische Möglichkeit der Wärmeabfuhr.
(Bild: Assmann WSW)

Die Lebenserwartung eines elektrischen Bauteils lässt sich verdoppeln, wenn seine Arbeitstemperatur um 10°C reduziert wird. So weit, so bekannt. Die Umsetzung erfordert jedoch einen Kühlkörper, der perfekt auf das zu kühlende Bauteil abgestimmt ist. Solche applikationsspezifischen Wärmesenken lassen sich durch verschiedene Verfahren realisieren, die die Eigenschaften der Lösung maßgeblich bestimmen.

Um einen Kühlkörper in eine Form zu bringen, die exakt auf die Applikation abgestimmt ist, kommen vor allem drei Fertigungsverfahren zum Einsatz: Neben dem Extrudieren von Aluminium-Halbzeug zu Kühlkörperprofilen und dem Kaltfließpressen, beispielsweise von Stiftkühlkörpern, gibt es auch die Möglichkeit, Kühlkörper in Form zu stanzen. Hierbei spricht man vom Stanz-Biege-Verfahren.

Es entstand aus dem Stanzen von Nichtmetallen, wie Leder. Später wurden auch andere Materialien, beispielsweise einfacher Kohlenstoffstahl oder Pressspanschablonen, gestanzt. Seitdem wurde das Verfahren stetig verbessert und modernisiert, so dass es heute für viele Werkstoffe nutzbar ist und eine gleichbleibende hohe Qualität gewährleistet.

Legierung sorgt für hohe Wärmeleitfähigkeit

Beim Stanzen von Kühlkörpern lassen sich verschiedene Aluminiumlegierungen verwenden. Die Materialauswahl basiert hauptsächlich auf den spezifischen Anforderungen der Applikation und der geforderten Struktur des Kühlkörpers. Doch nicht jede Aluminiumlegierung ist zum Stanzen geeignet. Während beispielsweise zum Extrudieren die nach dem Erhitzen aushärtbaren Knet-Legierungen AL6060 und AL6063 verwendet werden, muss beim Stanzverfahren eine naturharte Legierung mit einem sehr hohen Reinheitsgrad (Al ≥ 99%) verwendet werden.

Hierzu eignen sich besonders die Legierungen AL1100, AL1050, AL1060 und AL1070. Durch ihren hohen Reinheitsgrad besitzen die Stanz-Biege-Kühlkörper mit etwa 230 W/(m/K) eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Knet-Legierungen, wie AL6060 mit 180 W/(m/K). Dies ist sehr wichtig, da sich beim Stanzen die Oberfläche produktionsbedingt nur begrenzt vergrößern lässt. Dafür sind sehr flache Kühlkörper mit speziell abgewinkelten Rippen, Stehfalzen, Einprägungen oder Ausstanzungen für zu kühlende Bauteile möglich.

Die Stanz-Biege-Kühlkörper sind auch bei sehr dünner Materialstärke zwischen 0,3 bis max. 3 mm formstabil und lassen sich sehr gut verarbeiten ohne zu reißen oder zu brechen. Durch das Extrudieren lassen sich derart dünnwandige Kühlkörper nicht realisieren, weil das auf ca. 400 °C vorerhitzte Material beim Abpressen nicht formstabil bleiben würde.

Fast endlose Designmöglichkeiten

Ein weiterer Vorteil des Stanzens gegenüber anderen Produktionsverfahren besteht darin, dass die Kühlkörper überhaupt nicht formgebunden sind. Das eröffnet eine große Anzahl von verschiedenen Designmöglichkeiten entsprechend den Anforderungen und dem Platzangebot in der Applikation.

Der Hersteller Assmann WSW components bietet neben individuellen gestanzten Klein- und Fingerkühlkörpern, Aufsteckkühlkörpern, Kühlblechen und Gehäuseteilen auch kundenspezifische komplett gestanzte CPU-Kühlkörper. Diese können – anders als durch Extrudieren oder Fließpressen hergestellte Modelle – auch nachträglich eindesignt werden. Das ist besonders interessant bei bestehenden, passiv zu kühlenden Applikationen, bei denen das PCB-Layout nicht mehr änderbar ist.

Bild 1: Durch das Eloxieren der kleinen Oberfläche kann bei gestanzten Kühlkörpern die Wärmestrahlung deutlich verbessert werden.
Bild 1: Durch das Eloxieren der kleinen Oberfläche kann bei gestanzten Kühlkörpern die Wärmestrahlung deutlich verbessert werden.
(Bild: Assmann WSW)

Hierfür lassen sich beim Kühlkörper Aussparungen für benachbarte Bauteile erstellen, so dass der zur Verfügung stehende Platz bestmöglich genutzt wird. Dieses Verfahren ist schnell, unkompliziert und wirtschaftlich, da sich das Werkzeug durch leichte Modifikationen abändern lässt, um das gewünschte Resultat für Muster oder die Serienproduktion zu erhalten.

So lassen sich nicht nur kundenspezifische Aussparungen realisieren, sondern auch Lochungen in der Bodenplatte, die die Konvektion des CPU-Kühlkörpers verbessern und seine Befestigung vereinfachen. Bei extrudierten Modellen muss für die Verbindung mittels Push-Pins ein Teil der Finnen weggefräst oder im Außenbereich zusätzliche Laschen angebracht werden.

Bild 2: Die Stanz-Biege-Kühlkörper sind auch bei sehr dünner Materialstärke zwischen 0,3 bis 3 mm formstabil und lassen sich sehr gut verarbeiten ohne zu reißen oder zu brechen.
Bild 2: Die Stanz-Biege-Kühlkörper sind auch bei sehr dünner Materialstärke zwischen 0,3 bis 3 mm formstabil und lassen sich sehr gut verarbeiten ohne zu reißen oder zu brechen.
(Bild: Assmann WSW)

Bei den gestanzten CPU-Kühlkörpern muss die Grundfläche bei gleicher Kühlleistung nicht vergrößert werden, weil die Befestigungspunkte innerhalb des Kühlkörpers liegen. Neben den bekannten Verbindungsmethoden, wie Lötstift, Push-Pin, Klammer oder Kleben, stehen hier auch Rastnasen zur Verfügung. Mit ihnen kann der Kühlkörper zum Beispiel auf tragende Bauteile oder Komponenten einfach aufgeklipst werden.

Um die Wärmestrahlung zu erhöhen, empfiehlt sich eine Oberflächenbehandlung wie das Eloxieren – vor allem bei gestanzten Klein- und Fingerkühlkörpern, die eine relativ kleine Oberfläche haben und meist keiner aktiven Konvektion ausgesetzt sind. Da bei gestanzten Kühlkörpern der Materialanteil im Verhältnis zur relativ kleinen Oberfläche sehr hoch ist, kann durch das Eloxieren der kleinen Oberfläche die Wärmestrahlung deutlich verbessert werden. Werden sowohl Kühlkörper als auch Gehäuse der Applikation schwarz eloxiert, kann sich die Wärmestrahlung um bis zu 30% verbessern. Jede Aluminiumlegierung lässt sich Eloxieren (Anodisieren).

Bild 3: Kundenspezifische, komplett gestanzte CPU-Kühlkörper können – anders als durch Extrudieren oder Fließpressen hergestellte Modelle – auch nachträglich ein designt werden.
Bild 3: Kundenspezifische, komplett gestanzte CPU-Kühlkörper können – anders als durch Extrudieren oder Fließpressen hergestellte Modelle – auch nachträglich ein designt werden.
(Bild: Assmann WSW)

Fazit: Gestanzte Kühlkörper sind bei beengtem Platzbedarf in einem passiven Kühlsystem eine hervorragende anwendungsspezifische Möglichkeit der Wärmeabfuhr, vor allem bei geringer bis mittlerer Wärmeentwicklung.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 22/2019 (Download PDF)

* Florian Lübke ist Produktmanager Thermal Management bei Assmann WSW components in Lüdenscheid. Alexandra Volkmer ist Product Sales Manager Mechanics bei Rutronik Elektronische Bauelemente in Ispringen.

(ID:46188671)