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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
Kühlkörper mit Heatpipes
Strangpressprofile
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik4
Strangpressprofile
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik5
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik6
StrangpressprofileDesign-Regeln
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik7
Möglichst gleichmäßigeWandstärke
Abgerundete Kanten
StrangpressprofileDesign-Regeln
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik8
Rippen:Maximales VerhältnisHöhe / Stärke (H/T)4:1 bis 11:1
Maximales VerhältnisHöhe/Abstand (H/G) beiden Rippenca. 8:1
Hochleistungskühlkörper
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik9
Überwindet die Limitierungen durch dasStrangpress-Fertigungsverahren
Brazing – direkte Metall – Metall Verbindung
Höhere Flexibilität im Design
Hochleistungskühlkörper
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik10
Rippen werden nur dorteingesetzt, wo sie unbedingtnotwendig sind – 3D Design Material + Bearbeitungskosten Bessere Temperaturverteilung Geringerer Druckabfall
Einfluss gewellter Rippen
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik11
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik12
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
Kühlkörper mit Heatpipes
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik13
Beste Luftkühler-Lösungbei stark konzentriertenWärmequellen (Hot-Spots)
Einsatzgebiete für Heatpipes
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik14
Wärmespreizung aufGrundplatte
Wärmespreizung inRippen
Wärmespreizung ausabgeschlossenenRäumen zu einemKühlkörper
Wasserkühlung
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik15
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik16
Jeder Wasserkreislaufbeinhaltet mindestens:
Pumpe
Wärmetauscher
Liquid Cold Plate (LCP)
Reservoir
Leistungsfähigkeitvon Kühllösungen
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik17
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik18
Cu-Rohr
Edelstahlrohr
geklebt
gelötet
Wasserkühlplatten
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik19
für Anwendungenmit deionisiertemWasser
Vacuum-Lötung
Wasserkühlplatten
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik20
Vorteile der gelöteten LCPs
Gefräste Kanäle: Kühlung direkt am Hot-Spot
Sehr komplexe Bohrbilder möglich
Kein O-Ring – Verbindung direkt Metall – Metall
Beispiel Rundfunkanwendung
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik21
Kleine Transistoren mit hoher Wärmedichte
Wärmedichte auf LCP:>150 W/cm²
Offset folded finsals Turbolatoren
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik22
Gleichmäßige Kühlung
Größere Wärmeaustauschfläche(+++ Oberfläche / + Druckabfall)
Beispiel IGBT Kühler
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik23
Package Innenaufbau:
Kupfer-Keramik Platte mit Halbleitern direkt auf demTrägermaterial
Oberfläche der Wärmequelle ca. 20% der Gesamtfläche
Wärmedichteca. 150 W/cm²
Vergleich Wasserkühlung
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik24
Normale Wärmedichte Höhere Wärmedichte
Edelstahl-Rohr
Cu-RohrCAB-
LötungCAB mit
TurbolatorVacuum-Lötung
Vacuummit
Turbolator
Rth + + ++ +++ ++ +++
FlexiblerHalbleiteraufbau + + +++ ++ +++ ++
€/cm² +++ +++ ++ ++ + +
Auswahl Kühlmedium
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik25
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik26
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik27
Fittings / Wasseranschlüsse
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik28
Mit PTFE oderMessingdichtring
Direkt mit dem Kühlerverlötet oder verschraubt
Schnellkupplungund kundenspezifisch
Korrosion / Erosion: Wasser
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik29
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik30
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik31
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik32
Normalerweise enthaltenalle auf dem MarktverfügbareGlykolmischungen(z.B.Clariant -ANTIFROGEN–N)Korrosionsinhibitoren,die diese Problematikentschärfen.
Hartlöten von Kühlplatten
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik33
Kühlkörper mit gelöteten Rippen
Wasserkühlplatten mit gelöteten Deckeln
Hartlöt-Prozess
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik34
AL-Legierungen
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik35
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)
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik36
Geeignet für Luft-und Wasserkühler
Nocolok® Prozess in N2 Atmosphere
CAB - Prozess
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik37
CAB – Prozess: Flußmittel
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik38
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik39
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik40
CAB gegen Vacuum-Lötung
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik41
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik42
Clad-Materialien (joint material) nicht identisch aberähnlich:
Mechanishce Eigenschaften sind vergleichbar
Thermische Simulation
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik43
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
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik44
CFD-Simulation
100% integriert in SolidWorks 3D
Output
Temperaturverteilung
Druck
Geschwindigkeitsprofil
SimulationswerkzeugSW Flow Simulation
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik45
Simulation von Komplettsystemen, nicht nurKühlkörper und Wasserkühlplatten
SimulationswerkzeugSW Flow Simulation
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik46
Fehlerursachen
Unschärfe bei den Umgebungsbedingungen
Geometrie
Turbolenzen
Etc.
Fehlerhafte Berechnung der Übergangswiderstände
We make things work.
13.05.2011Kühltechnik für Geräte und Elektronik47
MB Electronic AG
Rupert-Mayer-Str. 44
81379 München
Tel.: +49 – (0)89 – 30 626 -130
Fax.: +49 – (0)89 – 30 626 -131
eMail: [email protected]