Ein Kühlkörper ist eines der grundlegendsten Bauteile zur Kühlung elektronischer Geräte. Wenn eine Wärmequelle die Wärme nicht effektiv durch eigene Wärmeleitung abführen kann und eine effizientere Kühlung benötigt, wird ein Kühlkörper eingesetzt, um die Wärme von der Quelle abzuleiten und sie durch optimierte Wärmeleitung und Konvektion abzuführen.

Kühlkörper finden breite Anwendung in der Leistungselektronik, Telekommunikationsgeräten, Servern, LED-Beleuchtung, Automobilelektronik und Industrieanlagen.

Grundstruktur eines Kühlkörpers

Ein typischer Kühlkörper besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen:

• Base

• bis

Die Basis ist üblicherweise eine ebene Fläche, die in direktem Kontakt mit der Wärmequelle steht. Ihre Funktion besteht darin, die Wärme vom Hotspot abzuleiten und gleichmäßig über die Kühlrippen zu verteilen.

Die Kühlrippen sind so konstruiert, dass sie die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers vergrößern. Sie können in einer Vielzahl von Geometrien hergestellt werden und sind typischerweise vertikal von der Basis aus angeordnet, um die Wärmeableitung zu maximieren.

Das primäre Konstruktionsziel eines Kühlkörpers ist die Maximierung der Oberfläche, um eine möglichst große Wärmemenge an die Umgebungsluft abgeben zu können.

Kühlkörpermaterialien

Bis auf wenige Ausnahmen bestehen Kühlkörper aus wärmeleitenden Metallen, am häufigsten aus Aluminium oder Kupfer.

Aluminium

Aluminium ist das am weitesten verbreitete Material für Kühlkörper.

• Wärmeleitfähigkeit: 235 W/mK

• leicht

• kostengünstig

• einfach herzustellen

Diese Eigenschaften machen Aluminium ideal für leichte und kostengünstige Kühlkörperlösungen.

Kupfer

Kupfer ist ein weiteres beliebtes Material für Kühlkörper.

• Wärmeleitfähigkeit: ~400 W/mK

• höhere Wärmeübertragungsfähigkeit

Obwohl Kupfer schwerer und teurer ist, wird es häufig in Hochleistungs-Wärmeanwendungen benötigt.

natürliche Konvektion vs. erzwungene Konvektion

Kühlkörper werden typischerweise anhand der Luftströmungsbedingungen in zwei Kategorien eingeteilt.

natürliche Konvektion (passive Kühlung)

Passive Kühlkörper sind ausschließlich auf die natürliche Luftzirkulation angewiesen, um Wärme abzuführen.

Sie sind dafür konzipiert:

• maximale Oberfläche

• natürliche Luftzirkulation ermöglichen

• funktionieren ohne zusätzliche aktive Komponenten

Passive Kühlkörper werden häufig in elektronischen Geräten mit geringem Stromverbrauch eingesetzt.

erzwungene Konvektion (aktive Kühlung)

Aktive Kühlkörper verwenden Lüfter oder Gebläse, um Luft durch die Kühlrippen zu pressen.

Durch diesen erzwungenen Luftstrom entstehen Turbulenzen, die die Wärmeübertragungseffizienz und die Kühlleistung deutlich steigern.

Aktive Kühllösungen finden breite Anwendung in:

• Server

• Leistungselektronik

• Hochleistungsrechnersysteme

gängige Arten von Kühlkörpern

Zur Herstellung von Kühlkörpern werden verschiedene Fertigungstechnologien eingesetzt, die jeweils für unterschiedliche thermische Anforderungen und Anwendungen geeignet sind.

1. gestanzte Kühlkörper (Platinenebene)

Geprägte Kühlkörper werden aus Blech mittels Folgeverbundverfahren hergestellt. Jeder Prägeschritt fügt dem Metall beim Durchlaufen des Prägewerkzeugs zusätzliche Merkmale und Details hinzu.

Diese Kühlkörper sind typischerweise für bestimmte elektronische Gehäusetypen ausgelegt, um eine optimale Passform auf Leiterplatten zu gewährleisten.

Sie können im passiven Modus arbeiten oder einen Lüfter enthalten, um den Luftstrom insgesamt zu erhöhen.

Vorteile

• ideal für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch (0–5 W)

• schnelle und einfache Montage

• niedrige Herstellungskosten

• skalierbar für die Massenproduktion

• für viele Verpackungsarten verfügbar

Nachteile

• Nicht geeignet für Anwendungen über 5 W

• Größenbegrenzt (im Allgemeinen unter 50 mm)

• ist nur für die Kühlung eines einzelnen Geräts ausgelegt

2. Kühlkörper aus stranggepresstem Aluminium

Extrusion ist eines der beliebtesten und kostengünstigsten Herstellungsverfahren für Kühlkörper.

Extrudierte Kühlkörper variieren je nach Anwendung in ihrer Größe. Kleinere Ausführungen werden für die Kühlung von Platinen verwendet, während größere für das Wärmemanagement mittlerer Leistungsaufnahme ausgelegt sind.

Je nach Rippengeometrie und -abstand können sie sowohl für passive als auch für aktive Kühlung optimiert werden.

Extrudierte Kühlkörper auf Platinenebene werden häufig für Bauteile wie die folgenden verwendet:

• BGA

• FPGA

Der Extrusionsprozess beginnt mit einer Profildüse, die die Rippenstruktur, den Abstand und die Basisabmessungen festlegt. Erhitztes Aluminium wird dann durch die Düse gepresst, um ein langes Profil zu erzeugen, das anschließend auf die gewünschte Länge zugeschnitten und weiterverarbeitet wird.

Vorteile

• ideal für Anwendungen mit mittlerer Leistung

• kostengünstige Produktion

• hochgradig skalierbar für die Massenproduktion

• einfache Anpassung

• einteilige Konstruktion mit geringem Wärmewiderstand

Nachteile

• nicht geeignet für Anwendungen mit sehr hoher Leistung

• Größenbeschränkungen (ca. 23 Zoll breit und 47 Zoll lang)

• Bei großen Profilen können Einschränkungen bei der Oberflächenbearbeitung auftreten.

3. Kühlkörper mit abgeschrägten Lamellen

Das Abschälen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem Lamellen direkt aus einem massiven Metallblock geformt werden. Dünne Schichten werden von der Basis abgetrennt und nach oben gefaltet, um Lamellen zu erzeugen.

Da die Rippen und die Basis aus dem gleichen Materialstück gefertigt sind, gibt es keine Fugen oder Schnittstellen, was den Wärmewiderstand verringert.

Dieses Verfahren ermöglicht auch sehr dünne Rippen und eine hohe Rippendichte, wodurch die Gesamtoberfläche deutlich vergrößert wird.

Im Gegensatz zum Extrusionsverfahren benötigt das Schälen keine speziellen Werkzeuge, was die Werkzeugkosten senkt und eine schnellere Prototypenerstellung ermöglicht.

Vorteile

• hohe Kühlleistung

• dünne Flossen und hohe Flossendichte

• niedrigere Werkzeugkosten

• wirtschaftlich für Kupferkühlkörper

Nachteile

• nicht ideal für Anwendungen mit extrem hoher Leistung

• Größenbeschränkungen

• Dünne Flossen könnten zerbrechlicher sein.

• weniger geeignet für sehr große Produktionsmengen

4. Kühlkörper mit geklebten und gelöteten Lamellen

Verbundrippen-Kühlkörper bestehen aus zwei Hauptkomponenten:

• ein Sockel (extrudiert oder bearbeitet)

• Die einzelnen Lamellen werden mittels wärmeleitendem Klebstoff, Epoxidharz oder Löten befestigt.

Die Lamellen werden typischerweise aus dünnem Blech gestanzt, während die Basis extrudiert, gegossen oder maschinell bearbeitet werden kann.

Zur Leistungssteigerung können auch zusätzliche Wärmetechnologien wie Wärmerohre oder Dampfkammern in die Basis integriert werden.

Verbundene Lamellenkühlkörper bieten eine größere Gestaltungsfreiheit und ermöglichen eine höhere Lamellendichte auf kleinerer Fläche.

Vorteile

• Kompaktes Design für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot

• hohe thermische Leistung

• geeignet für erzwungene Konvektion

• enger Flossenabstand

• hohe Flossenseitenverhältnisse

• flexible Designintegration

• niedrigere Werkzeugkosten

Nachteile

• nicht ideal für Umgebungen mit starken Vibrationen

• Nicht geeignet, wenn der erforderliche Wärmewiderstand unter 0,01 °C/W liegt.

5. Kühlkörper mit Reißverschlusslamellen

Die Zipper-Finnen bestehen aus einer Reihe einzeln gestanzter Blechfinnen, die gefaltet und miteinander verriegelt werden.

Diese Flossen können auf folgende Weise angeordnet sein:

• geschlossene Kanäle für gerichteten Luftstrom

• Offene Konfigurationen für multidirektionale Luftströmung

Der Lamellenstapel wird üblicherweise durch Löten, Hartlöten oder Epoxidharz-Klebeverfahren an der Kühlkörperbasis oder den Wärmerohren befestigt.

Diese Konstruktion bietet eine ausgezeichnete mechanische Stabilität und hohe Flexibilität für integrierte Wärmelösungen.

Vorteile

• hohe thermische Leistung

• ideal für Anwendungen mit erzwungener Luftzirkulation

• flexible Designintegration

• niedrigere Werkzeugkosten

• leicht

• kann die Effizienz von Wärmerohren verbessern

• verbesserte mechanische Stabilität

Nachteile

• einige Einschränkungen für extrem niedrige Anforderungen an den Wärmewiderstand

6. Kühlkörper mit gefalteten Lamellen

Gefaltete Rippen entstehen durch das Biegen dünner Metallbleche in komplexe Formen, um die Oberfläche zu vergrößern.

Diese Kühlrippen werden typischerweise mit einer Basis geklebt oder verlötet, um die endgültige Kühlkörperbaugruppe zu bilden. Die Technologie gefalteter Kühlrippen kann auch in Flüssigkeitskühlplattenlösungen eingesetzt werden.

Vorteile

• vergrößerte Oberfläche

• hohe Lamelleneffizienz

• mit verschiedenen Materialien kompatibel

• Leichtbauweise

Nachteile

• Die beste Leistung wird erzielt, wenn der Luftstrom direkt durch die Lamellen geleitet wird.

• höhere Produktionskosten in einigen Fällen

7. Druckguss-Kühlkörper

Druckguss-Kühlkörper werden als einteilige Bauteile hergestellt, indem geschmolzenes Metall in speziell angefertigte Formen eingespritzt wird.

Dieses Herstellungsverfahren eignet sich ideal für die Massenproduktion und ermöglicht komplexe Geometrien, die mit anderen Verfahren nur schwer zu realisieren wären.

Nach dem Gießen sind nur noch minimale Bearbeitungs- und Nachbearbeitungsschritte erforderlich, um das Endprodukt zu erhalten.

Vorteile

• ideal für die Massenproduktion

• geeignet für komplexe Formen

• niedriger oder nahezu null Wärmewiderstand

Nachteile

• hohe anfängliche Werkzeug- und Formenkosten