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Kühlkörper: Technologie-Übersicht

Jan Wanior - MB Electronic AGCooling Day 2011

Übersicht

Luftkühlung

Strangpreßprofil

Hochleistungskühlkörper

Kühlkörper mit Heatpipes

Wasserkühlung

Leistungsfähigkeit

Technologien

Kühlmedien

Korrosion

Lötverfahren

Simulation

13.05.20112 Kühltechnik für Geräte und Elektronik

Luftkühlkörperfür die Leistungselektronik

13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik3

Strangpressprofile

Hochleistungskühlkörper mit hartgelöteten Rippen

Strangpressprofile

Das Strangpressen ist ein spanlosesUmformverfahren, bei dem ein Bolzenmit einem Stempel durch eine Matrizegedrückt wird. Dabei wird der Bolzendurch einen Aufnehmer umschlossen.

Die äußere Form des Preßstrangswird dabei durch die Matrize bestimmt.

Durch Strangpressen können Rohreund Profile für Kühlkörper undBautechnik hergestellt werden.

StrangpressprofileVerfahrensgrenzen

StrangpressprofileDesign-Regeln

Möglichst gleichmäßigeWandstärke

Abgerundete Kanten

StrangpressprofileDesign-Regeln

Rippen:Maximales VerhältnisHöhe / Stärke (H/T)4:1 bis 11:1

Maximales VerhältnisHöhe/Abstand (H/G) beiden Rippenca. 8:1

Überwindet die Limitierungen durch dasStrangpress-Fertigungsverahren

Brazing – direkte Metall – Metall Verbindung

Höhere Flexibilität im Design

Rippen werden nur dorteingesetzt, wo sie unbedingtnotwendig sind – 3D Design Material + Bearbeitungskosten Bessere Temperaturverteilung Geringerer Druckabfall

Einfluss gewellter Rippen

Das sagt die Werbung:

Kompakt:

Hohe Leistung bei kleinenAbmessungen

Effizient:

Grenzschicht der Luft wirdentlang der Rippengebrochen

Deutlich größereWärmetausch-Oberfläche

Grundplatte ohneUnterbrechung = guteWärmespreizung

Einfluss gewellter Rippen

Ja, aber…

Extrusion Gewellte R. %

Abmessungen (mm) 205x83x250 205x83x250 =

Gewicht (kg) 4,4 4,4 =

Rth (K/W) 44,7 34,5 -22,8

Druckabfall (Pa) 42 63 +33,3

Beste Luftkühler-Lösungbei stark konzentriertenWärmequellen (Hot-Spots)

Einsatzgebiete für Heatpipes

Wärmespreizung aufGrundplatte

Wärmespreizung inRippen

Wärmespreizung ausabgeschlossenenRäumen zu einemKühlkörper

Wasserkühlung

Wasserkühlung gibt es schon seit Jahrzehnten

Vorurteil: Wasser und Strom passen nichtzusammen

Heute: Immer mehr im Focus

Steigende Leistungsdichten

Steigende Wärmemengen

In vielen Bereichen kann eine Wasserkühlungdeutliche Vorteile über die reine Luftkühlung bieten

Elemente eines Wasserkreislaufs

Jeder Wasserkreislaufbeinhaltet mindestens:

Wärmetauscher

Liquid Cold Plate (LCP)

Reservoir

Leistungsfähigkeitvon Kühllösungen

Wann ist Wasserkühlung sinnvoll?

WärmedichteWärmewiderstand

0-70 W/cm² 70-100 W/cm² 100-150 W/cm² >150 W/cm²

> 0,07 K/W LuftkühlkörperLuftkühlkörper m.

Cu-Spreader

Hochleistungs-Kühlkörper mit Cu-

Finnen

0,04 – 0,07 K/WLuftkühlkörper m.

Cu-SpreaderHochleistungs-

Kühlkörper

0,025 – 0,4 K/WHochleistungs-

Kühlkörper

Hochleistungs-Kühlkörper mit Cu-

Finnen

0,01 – 0,025 K/WKühlkörper mit

Heatpipes

< 0,01 K/W Wasserkühlung

Wasserkühlplatten

Cu-Rohr

Edelstahlrohr

geklebt

gelötet

Wasserkühlplatten

für Anwendungenmit deionisiertemWasser

Vacuum-Lötung

Wasserkühlplatten

Vorteile der gelöteten LCPs

Gefräste Kanäle: Kühlung direkt am Hot-Spot

Sehr komplexe Bohrbilder möglich

Kein O-Ring – Verbindung direkt Metall – Metall

Beispiel Rundfunkanwendung

Kleine Transistoren mit hoher Wärmedichte

Wärmedichte auf LCP:>150 W/cm²

Offset folded finsals Turbolatoren

Gleichmäßige Kühlung

Größere Wärmeaustauschfläche(+++ Oberfläche / + Druckabfall)

Beispiel IGBT Kühler

Package Innenaufbau:

Kupfer-Keramik Platte mit Halbleitern direkt auf demTrägermaterial

Oberfläche der Wärmequelle ca. 20% der Gesamtfläche

Wärmedichteca. 150 W/cm²

Vergleich Wasserkühlung

Normale Wärmedichte Höhere Wärmedichte

Edelstahl-Rohr

Cu-RohrCAB-

LötungCAB mit

TurbolatorVacuum-Lötung

Vacuummit

Turbolator

Rth + + ++ +++ ++ +++

FlexiblerHalbleiteraufbau + + +++ ++ +++ ++

€/cm² +++ +++ ++ ++ + +

Auswahl Kühlmedium

Technologie WasserWasser +

GlykolDeionisiertes Wasser

ÖlAggressive

Medien

Standard

Cu-Rohr OK OK OK OK

Edelstahl OK OK OK OK OK

CAB-brazing OK OK OK

VergrößerteOberfläche

CAB-brazingmit

TurbolatorOK OK

Vacuum-brazing

OK OK OK OK

Definition Wärmewiderstand

Bezeichnung Einheit Beschreibung

RthJA Junction-to-ambient K/W Festgelegt imHalbleiterdatenblatt

RthJC Junction-to-case K/W Festgelegt imHalbleiterdatenblatt

RthC-LCP Case-to-LCP K/W Abhängig von TIM

RthLCP-A LCP-ambient K/W Festgelegt bei demLCPHersteller

2 Definitionen des Wärmewiderstands:

Rth LCP-A = (TMax LCP surface – TFluid in) / QTOT

Rth*LCP-A = (TMax LCP surface – TFluid in) / Qmodule

Leistungsvergleich

Fittings / Wasseranschlüsse

Mit PTFE oderMessingdichtring

Direkt mit dem Kühlerverlötet oder verschraubt

Schnellkupplungund kundenspezifisch

Korrosion / Erosion: Wasser

Aluminium imReinwasser erstellt eineselbstschützendeHydroxid-Schicht, diestabil zwischen pH 4.5und 8.5 bleibt.

Die meisten, nichtbelasteten Leitungs- undOberflächenwasserhaben pH 6.5 bis 7.5.

Destilliertes Wasser istleicht sauer: pH [6 - 6.5].

Korrosion / ErosionIm Wasser gelöste Ionen

Unter allen Anionen, haben Chloridionen die bestePenetrationsfähigkeit durch die natürlicheOxydschicht, weil sie sehr klein und reagierend sind.Chlorid- (Cl-), Fluorid- (F-), Bromid- (Br-) und Iodid-Ionen (I-), im Wasser gelöst, können Korrosion imAluminium aktivieren und sind deshalb potentiellgefährlich. Cl- ersetzen die Sauerstoff Atome imAluminiumoxyd Netzwerk.

Dow Chemical empfehlt Wasser mit Cl- < 80 Teilepro Million zu verwenden.

Korrosion / ErosionElektrochemische Korrosion

Galvanische Korrosion hängtvon den elektochemischenPotentialen der Materialien ab.Sehr unterschiedlichePotentiale sind in einemWasserkreislauf zu vermeiden.

Galvanische Korrosion benötigt 3Bedingungen: Zwei elektrochemisch

unterschiedliche Materialien Elektrische Leitung zwischen

beiden Materialien Ein Elektrolyt (Flüssigkeit) =

Ionenfluß ist möglich

Korrosion / ErosionKorrosionsinhibitoren

Normalerweise enthaltenalle auf dem MarktverfügbareGlykolmischungen(z.B.Clariant -ANTIFROGEN–N)Korrosionsinhibitoren,die diese Problematikentschärfen.

Hartlöten von Kühlplatten

Kühlkörper mit gelöteten Rippen

Wasserkühlplatten mit gelöteten Deckeln

Hartlöt-Prozess

AL-Legierungen

Für Hartlötung geeignete AL-Legierungen:

Material Lot Bemerkung

Reinaluminium(Al 1050, 1090)

geeignet

AlMn geeignet

AlMg Siehe Bemerkung Mg Gehalt > 0.6% verursacht Schwierigkeiten

AlMgSi geeignet Härtung nach Brazingverfahren möglich

AlCuMgAlZnMgAlZnMgCu

ungeeignet Brazing beschädigt Materialstruktur

Aluminiumdruckguss Siehe Bemerkung

Brazing nicht möglich mit standard AlSiLegierungen,Schmelztemperatur höher als beim GrundstoffBrazing möglich mit AlSi10Cu4 (4145) undAlSi10Zn10Cu4 (4245) Legierungen , beiSchmelzpunkt520 °C und 515 °C.

Controlled Atmosphere Brazing(CAB)

Geeignet für Luft-und Wasserkühler

Nocolok® Prozess in N2 Atmosphere

CAB - Prozess

CAB – Prozess: Flußmittel

Warum wird bei CAB Flußmittel benötigt?

Oxidschicht auf Aluminium aufbrechen

Flußmittel

Schutz der Oberfläche vorRe-Oxidation im Lötprozess

Eigenschaften des Flußmittels

Nicht korrosiv

Keine chemische Reaktion bevorLöttemperatur erreicht ist.

Nicht löslich – keine Wäsche notwendig

Vacuum-Lötung

Hartlötung unter Vakuum

Keine Oxidation wegen extrem niedrigemSauerstoffgehalt ohne Flußmittel

Nur notwendig wenn die minimalenFlußmittelrückstände bei CAB-brazing nichtakzeptabel sind.

Beispiel: Einsatz von Deionisiertem Wasser wegenIsolation. Hier erhöhen geringste Rückstände imKühler die Leitfähigkeit des Wassers.

Vakuum-Brazing: Prozess

CAB gegen Vacuum-Lötung

Vacuum-Lötung dauert länger als CAB

Sorgfältigere Reinigung vor dem Löten

Zeit zur Evakuierung

Wegen des Vacuums kann Löttemperatur nur durchStrahlung erreicht werden!

CAB gegen Vacuum-Lötung

Clad-Materialien (joint material) nicht identisch aberähnlich:

Mechanishce Eigenschaften sind vergleichbar

Thermische Simulation

Vorstudie, grob gerechnet + sehr schnell:Ziel: Schnelle Thermische Abschätzung(keine große Genauigkeit)

Vergleich zwischen unterschiedlichen LösungenZiel: Welche Lösung ist besser ?(keine absoluten Leistungen)

Präzise Simulation und entsprechender BerichtZiel: Reales Verhalten des Systems(mit exakter Verteilung der Temperatur)

SimulationswerkzeugSW Flow Simulation

CFD-Simulation

100% integriert in SolidWorks 3D

Output

Temperaturverteilung

Geschwindigkeitsprofil

Simulation von Komplettsystemen, nicht nurKühlkörper und Wasserkühlplatten

Fehlerursachen

Unschärfe bei den Umgebungsbedingungen

Geometrie

Turbolenzen

Fehlerhafte Berechnung der Übergangswiderstände

We make things work.

MB Electronic AG

Rupert-Mayer-Str. 44

81379 München

Tel.: +49 – (0)89 – 30 626 -130

Fax.: +49 – (0)89 – 30 626 -131

eMail: info@mb-electronic.de

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