Pulverbettverfahren

Andrea Gillhuber,

3D-Metalldruck für die Leistungselektronik

In der Leistungselektronik werden Kühlkörper eingesetzt, um Wärme von Platinen abzuleiten. Die fortschreitende Miniaturisierung dieser anspruchsvollen Komponenten erfordert immer kleinere Bauteile, die mit spanenden Verfahren kaum noch realisiert werden können. Ein auf Selective Laser Melting (SLM) basierendes Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mikrokühlern mit monolithischer Struktur.
SLM-Kühlkörper führen Wärmestromdichten von bis zu 600 W/m2 auf kleinstem Raum ab. © IQ Evolution

Moderne Elektronik benötigt immer kleinere Bauteile, wodurch auf geringerem Raum eine höhere Leistungsdichte bei gleichem Wirkungsgrad entsteht. Für herkömmliche Kühlkörper ist dies eine große Herausforderung, da ihre eigenen Strukturen viel Platz erfordern, sie jedoch gleichzeitig ein zunehmendes Maß an Wärme abführen müssen. „Aus diesem Grund haben wir ein 3D-Metalldruckverfahren mit Pulverbett entwickelt, durch das Mikrokühler in jeder Form produziert werden können“, berichtet Dr. Thomas Ebert, Geschäftsführer von IQ evolution. „Die mit unserem Selective Laser Melting hergestellten Kühlkörper führen enorme Wärmemengen auf kleinstem Raum ab.“

Mittels Selective Laser Melting ist auch die Herstellung von Kühlkörpern mit ungewöhnlichen Strukturen möglich. © IQ Evolution

„Zunächst wird für das SLM ein CAD-Modell der Komponente erstellt. Aufgrund ihrer Erfahrungen im Bereich der Thermodynamik erkennen unsere Fachleute schnell die kritischen Hotspots und können die erforderlichen Werte einstellen“, so Ebert. Bisherige Kühlkörper nutzen Rippenstrukturen, bei den Mikrokühlern wird die Wärme dagegen über hoch turbulente Strömungen abgeführt, die durch spezielle Aufbauparameter an den Innenflächen entstehen. Eine Computersimulation unterstützt bei der Auswahl der notwendigen Parameter, wodurch die mechanischen Eigenschaften wie Verwirbelung oder Strömungsgeschwindigkeit 1:1 aus der Entwicklung in die Produktion übertragen werden.

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Nach der Modellerstellung wird das Metallpulver in einer isolierten Kammer in Schichten von etwa 0,03 mm auf eine Substratplatte aufgetragen. Dafür wird in der Regel Nickelpulver verwendet. Je nach Anwendungsfall können aber auch andere Metalle oder Kupferlegierungen verwendet werden.

Für übliche Einsatzgebiete wie die Kühlung von Leistungskomponenten in TO247-Gehäusen hat IQ Evolution Standardprodukte wie einen 2er-, 4er- oder 8er-Kühler (Bild) entwickelt. Diese können auch problemlos und kostengünstig an andere Gehäusearten bzw. Gehäusegrößen angepasst werden. © IQ Evolution

IQ evolution stimmt jeden Mikrokühler auf das Einsatzgebiet ab. „Für übliche Anwendungen bieten wir Standardprodukte an; sogenannte 2er-, 4er- oder 8er-Kühler. Doch die Spezialität unseres 3D-Druckverfahrens sind ungewöhnliche Kühlstrukturen“, so Ebert. „Leider wird in der Leistungselektronik häufig nur in zweidimensionalen Formen gedacht, aber auch runde oder noch ungewöhnlichere platzsparende Geometrien sind denkbar.“ Durch diese flexiblen Design-Varianten ergeben sich zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten – beispielsweise ultradünne Mikrokühler, welche bereits bei der Herstellung einer Platine in diese integriert werden.

Dr. Thomas Ebert, Geschäftsführer von IQ Evolution. © IQ Evolution

Außerdem ist das Verfahren mit verschiedenen Materialien durchführbar. Dadurch ergeben sich auch neue Funktionen für die Mikrokühler. „Häufig ist in der Leistungselektronik ein elektrischer Kontakt zur metallenen Oberfläche des Mikrokühlers unerwünscht“, erläutert Ebert. „Daher haben wir eine Kombination aus elektrischer Isolierung und elektrisch leitfähigen Schichten entwickelt, welche auf die Kühlfläche aus Metall aufgebracht wird. So werden alle Hotspots auf der Platine gekühlt, der Mikrokühler ist aber gleichzeitig nicht elektrisch mit der Platine verbunden.“

Nach Unterlagen von IQ evolution / ag

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