7 Verfahren zur Herstellung von Kühlkörpern

Dieser Artikel beschreibt verschiedene Herstellungsverfahren für Kühlkörper – jene unverzichtbaren Bauteile, die verhindern, dass heiße Elektronikkomponenten wie die CPU und die Grafikkarte Ihres Computers durchbrennen. Wir zeigen Ihnen, wie Ingenieure die einwandfreie Funktion dieser Kühler gewährleisten.

Was ist ein Kühlkörper?

Ein Kühlkörper ist ein Bauteil, das die Betriebswärme von Geräten abführt, um deren normalen Betrieb zu gewährleisten. Er wird beispielsweise bei Computerprozessoren (CPUs) und Grafikprozessoren (GPUs) eingesetzt. Je nach Kühlmethode unterscheidet man verschiedene Typen wie Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Heatpipes. Hauptsächlich werden Kupfer- und Aluminiumlegierungen verwendet, daneben kommen auch nichtmetallische Werkstoffe wie Graphen-Thermoplaste und Keramik zum Einsatz. Die Wärmeabfuhr erfolgt durch das Zusammenwirken von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Zu den Herstellungsverfahren gehören Technologien wie Aluminiumextrusion und Kupfer-Aluminium-Verbindungen. Die Gestaltung und Fertigung der Kühlrippen beeinflussen die Effizienz der Wärmeabfuhr maßgeblich.

Kühlkörpermaterialien

Die am häufigsten verwendeten Materialien für Kühlkörper sind Kupfer- und Aluminiumlegierungen.

• Kupfer: Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer liegt bei 380–420 W/mK und ist damit deutlich besser als die von Aluminiumlegierungen (Aluminiumlegierungen weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 150–250 W/mK auf). Es wird hauptsächlich in High-End-Wärmemanagementanwendungen eingesetzt, bei denen die Leistung von größter Bedeutung ist, wie z. B. in KI-Rechenservern, Hochleistungs-HF-Geräten, hochwertiger Unterhaltungselektronik und GPU/CPU-Kühlung.
• AluminiumlegierungenAluminium-Kühlkörper werden hauptsächlich in großflächigen Umweltanwendungen eingesetzt, die relativ geringere thermische Anforderungen, aber hohe Anforderungen an die strukturelle Integrität und das geringe Gewicht stellen, wie z. B. in Energiesystemen, Photovoltaik (Solar), Automobilen und Kommunikationsbasisstationen.
• Nichtmetallische Werkstoffe: Es werden auch andere Werkstoffe verwendet, darunter thermoplastische Kunststoffe auf Graphenbasis und Keramiken (z. B. Siliciumcarbid, Bornitrid).

In jüngster Zeit sind neue Metallmatrix-Verbundwerkstoffe entstanden, darunter Graphen-basiertes Aluminium, Diamant/Aluminium-Verbundwerkstoffe und Diamant/Kupfer-Verbundwerkstoffe.

• Graphenbasiertes Aluminium: Dieses Material wird durch Modifizierung von Aluminium während des Schmelzprozesses hergestellt. Es verbessert nicht nur die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumlegierung, sondern erhält auch deren hervorragende Struktureigenschaften und geringes Gewicht. Graphenbasiertes Aluminium erreicht derzeit eine Wärmeleitfähigkeit von 300–350 W/mK.
• Diamant/Aluminium-Verbundwerkstoff: Diamant besitzt eine theoretische Wärmeleitfähigkeit von bis zu 2000 W/mK. Durch die Modifizierung von Aluminium mit Diamant wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs deutlich erhöht und erreicht derzeit 500–600 W/mK. Um jedoch eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, ist ein größerer Diamantanteil erforderlich, was die Struktur und die Verarbeitungseigenschaften des Aluminiums negativ beeinflusst. Zudem wirken sich die hohen Kosten von Diamant auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprodukts aus.
• Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoff: Die Nutzung der hohen Wärmeleitfähigkeit von Diamant zur Modifizierung von Kupfer steigert dessen Wärmeleistung deutlich. Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe erreichen derzeit Wärmeleitfähigkeiten von 600–1000 W/mK, abhängig vom Diamantanteil.

7 Herstellungsverfahren für Kühlkörper

Es gibt verschiedene Technologien zur Herstellung von Kühlkörpern, darunter:

1. CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitung CNC ist kein einzelner Prozess, sondern eine Technologieplattform. Ein vom Designer erstelltes digitales 3D-Modell wird mithilfe spezieller Software in maschinenlesbare Anweisungen (typischerweise G-Code) umgewandelt. Das CNC-System steuert dann präzise die Motoren und Schneidwerkzeuge, um automatisch Schneid-, Fräs-, Bohr- und andere Bearbeitungsvorgänge an Materialien wie Metall, Kunststoff oder Holz durchzuführen und so ein physisches Bauteil zu erzeugen, das mit dem digitalen Modell identisch ist.

Zu den wichtigsten CNC-Bearbeitungsverfahren zählen CNC-Fräsen (Werkzeug rotiert, Werkstück ist fixiert) und CNC-Drehen (Werkstück rotiert, Werkzeug ist fixiert und bewegt sich). Weitere Verfahren sind CNC-Bohren, Schleifen und Drahterodieren.

• Fortschrittliche Bearbeitung: Mehrachsige Bearbeitung ist ein Kennzeichen der CNC-Technik. Eine 3-Achs-Maschine ist grundlegend und bearbeitet lediglich die Ober- und Seitenflächen eines Werkstücks. Komplexe, gekrümmte Oberflächen oder Hinterschneidungen sind nicht möglich. Eine 5-Achs-Maschine mit A-Achse (Rotation um die X-Achse) und C-Achse (Rotation um die Z-Achse) ermöglicht es dem Werkzeug, das Werkstück aus jeder Richtung zu bearbeiten. Dadurch lassen sich hochkomplexe Geometrien (z. B. Laufräder, Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt) mit höchster Präzision und Effizienz bearbeiten.
• Vorteile: CNC-Bearbeitung bietet höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit, wodurch Toleranzen im Mikrometerbereich problemlos erreicht und identische Teile in gleichbleibender Qualität gefertigt werden können. Sie wird typischerweise in der Prototypenphase von Kühlkörpern und zum Fräsen der Unterseite von Druckguss- oder Schmiedekühlkörpern eingesetzt, um eine ebene Auflagefläche zur Wärmequelle zu gewährleisten.
• Nachteil: Da es sich um ein „subtraktives Fertigungsverfahren“ handelt, entsteht durch das Schneiden eine gewisse Menge an Materialabfall.

2. Aluminiumextrusion

Bei diesem Verfahren wird ein Aluminiumblock auf eine weiche Temperatur erhitzt (etwa 400–500 °C unterhalb seines Schmelzpunktes von 660 °C). Mithilfe einer enormen hydraulischen Kraft (bis zu mehreren tausend Tonnen) wird das weiche Aluminium durch eine Matrize mit einer spezifischen Querschnittsform (Matrizenloch) gepresst. Dadurch entsteht ein unendlich langes Profil, das dem Querschnitt der Matrize entspricht. Abschließend wird das Profil auf die gewünschte Länge zugeschnitten und weiterbearbeitet (z. B. durch Schneiden, CNC-Fräsen oder Gewindeschneiden).

• Vorteile: Aluminium-Extrusion Es ist kostengünstig und eignet sich für die standardisierte Massenproduktion. Es ist das gängigste Kühlkörperverfahren auf dem Markt und wird für die Lamellen der meisten stromsparenden CPU-Luftkühler sowie für gängige Aluminium-Profilkühlkörper verwendet.
• Einschränkung: Das Seitenverhältnis (Verhältnis von Höhe zu Dicke) der Flossen ist begrenzt, wodurch es unmöglich ist, sehr dünne und hohe Flossen herzustellen.

3. Druckguss

Druckguss Dabei wird die Aluminiumlegierung in einem Ofen erhitzt, bis sie vollständig geschmolzen ist. Anschließend wird das flüssige Aluminium mithilfe einer Spritzvorrichtung mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck in eine präzise zweiteilige Stahlform eingespritzt, wo es schnell abkühlt und erstarrt.

• Vorteile: Seine Stärke liegt in der einteiligen Formgebung, die die Herstellung von Kühlkörpern mit komplexen Formen und engen Strukturen ermöglicht, wie z. B. GPU-Kühlergehäuse und hochintegrierte Chip-Kühlmodule.
• Einschränkung: Das Verfahren ist anfällig für Defekte wie Porosität und Schrumpfung, was zu einer etwas geringeren Wärmeleitfähigkeit führt.

4. Schmieden

Schmieden, vergleichbar mit dem Hämmern von Eisen durch einen Schmied, ist ein mechanisierter, formbasierter Prozess. Ein Rohling aus Aluminiumlegierung wird auf die Schmiedetemperatur erhitzt (typischerweise unterhalb des Schmelzpunktes, aber mit ausgezeichneter Plastizität) und in die untere Hälfte eines Schmiedewerkzeugs eingelegt. Die obere Hälfte des Werkzeugs schließt sich unter enormem Druck (durch eine Schmiedemaschine) schnell und presst den Rohling in die gesamte Formkavität, wodurch die gewünschte Form und Größe entsteht.

Vorteile: Da es sich um plastische Verformung und nicht um Schmelzen handelt, fließen und verfeinern sich die inneren Metallkörner entlang der Verformungsrichtung, was zu einem dichten Gefüge führt. Schmiedeteile weisen typischerweise eine höhere mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit als Druckgussteile auf.

5. Stempeln

Stanzen ist ein Kaltumformverfahren, bei dem eine Stanzpresse und spezielle Werkzeuge verwendet werden, um Druck auf Metallbleche (in der Regel Spulen oder Rohlinge) auszuüben, wodurch diese sich trennen oder plastisch verformen, um die gewünschte Form und Größe zu erreichen.

Hauptanwendungen in Kühlkörpern:

Herstellung von Kühlrippen: Dies ist die wichtigste und größte Anwendung. Die dicht gepackten Kühlrippen der meisten Mittelklasse- bis High-End-Luftkühler werden durch Stanzen hergestellt. Das Stanzen ermöglicht die Integration verschiedener funktionaler Strukturen in die Kühlrippen, wie z. B. Verriegelungsmechanismen (für Lamellen mit Schnappverschluss), Luftstromführungen und gewichtsreduzierende Öffnungen, die mit Aluminium-Extrusion nicht realisierbar sind.

Herstellung von Struktur- und Hilfsteilen: Dazu gehören Metallhalterungen zur Befestigung des Kühlkörpers an der CPU/dem Motherboard, Federschraubenbasen (oft aus hochfestem Stahl oder Edelstahl), Lüfterhalteklammern und dekorative Abdeckungen.

Vorteile: Stanzen bietet eine extrem hohe Produktionseffizienz. Moderne Hochgeschwindigkeitspressen können Hunderte oder sogar Tausende von hochpräzisen Teilen pro Minute herstellen. Nach der Werkzeugherstellung sind die Stückkosten sehr gering, wodurch sich das Verfahren ideal für die Massenproduktion eignet.

Einschränkungen: Aufgrund der hohen Kosten für die Konstruktion und Fertigung von Präzisions-Folgeverbundwerkzeugen eignet sich dieses Verfahren nur für die Serienfertigung. Es ist auf dünne Blechteile beschränkt und kann keine massiven, schweren 3D-Bauteile (wie z. B. Kühlkörperbasen) herstellen.

6. Drahtschneiden

DrahtschneidserviceDas Drahterodieren (WEDM) nutzt einen sich kontinuierlich bewegenden, extrem dünnen Metalldraht (typischerweise Molybdän oder Kupfer) als Elektrode. Zwischen Draht und Werkstück entsteht eine gepulste Funkenentladung, die kurzzeitig hohe Temperaturen erzeugt, welche das Metall lokal schmelzen und verdampfen lassen, um den Schnitt zu ermöglichen.

Zwischen Elektrodendraht und Werkstück besteht ein minimaler Entladungsspalt, wodurch kein direkter physischer Kontakt entsteht. Dies minimiert die Schnittkraft, verhindert Verformungen des Werkstücks und ermöglicht die Bearbeitung sehr dünner oder leicht verformbarer Teile. Darüber hinaus kann das Verfahren jedes leitfähige Material unabhängig von seiner Härte schneiden.

• Anwendung in Kühlkörpern: Die wichtigste und am weitesten verbreitete Anwendung findet sich im Werkzeugbau. Das Drahterodieren (WEDM) ist das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der komplexen, hochpräzisen Stempel- und Matrizeneinsätze für Folgeverbundwerkzeuge, die zum Stanzen von Kühlrippen verwendet werden. Diese Einsätze bestehen aus extrem hartem, verschleißfestem Werkzeugstahl (z. B. SKD11, DC53), der mit herkömmlichen mechanischen Verfahren nur schwer zu bearbeiten ist, insbesondere bei der Herstellung scharfer Kanten und feiner Spalten.
• Einschränkungen: Die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist im Vergleich zu Verfahren mit hohem Durchsatz wie Stanzen oder Extrudieren gering. Zudem tritt Elektrodenverschleiß auf, der bei schnell bewegten Drähten stärker ins Gewicht fällt, bei langsam bewegten Drähten jedoch durch Mehrfachschnittverfahren kompensiert wird.

7. Abgeschrägte Flosse

Das Abschälen, auch Schälen von Lamellen genannt, ist ein spezielles Schneidverfahren zur Herstellung dünner Metalllamellen. Im Gegensatz zum Stanzen (Materialtrennung) oder Extrudieren (Pressen von Material durch eine Matrize) wird beim Abschälen ein spezielles Schälmesser verwendet, um die fixierte Grundplatte präzise zu hobeln. Während des Schneidvorgangs pflügt das Messer das abgetragene Metall nach oben und biegt es zu einer vertikalen Lamelle, anstatt es als Abfall abzuschneiden. Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile, darunter:

Kontaktloser Wärmewiderstand: Die Lamellen und die Basis werden aus einem einzigen Materialblock gefertigt und bilden so einen monolithischen Körper. Dies gewährleistet eine nahtlose Wärmeübertragung von der Basis bis zur Lamellenspitze und eliminiert den Wärmewiderstand durch mechanische Verbindungen oder Schweißnähte. Dies ist der Hauptgrund für die hervorragende Leistung von Kühlkörpern mit geschälten Lamellen.

Hohe, dünne und dichte Rippen: Durch die Anpassung der Werkzeug- und Prozessparameter lassen sich Rippen mit einem sehr hohen Aspektverhältnis (Verhältnis von Höhe zu Dicke) herstellen. So kann beispielsweise problemlos eine dichte Rippenanordnung mit einer Dicke von nur 0.2 mm und einer Höhe von über 20 mm gefertigt werden, was mit Aluminium-Extrusion nicht möglich ist. Die minimale Rippendicke bzw. der minimale Rippenabstand liegt Berichten zufolge bei etwa 0.08 mm, wobei die Höhe auf 2–3 mm begrenzt ist.

Hervorragende strukturelle Festigkeit und Steifigkeit: Die monolithische Struktur macht die Flossenwurzel sehr robust und weniger anfällig für Verformungen durch Vibrationen oder Stöße, wodurch eine wesentlich höhere Stabilität als bei „Durchgangsflossen“- oder „Schnallenflossen“-Konstruktionen erreicht wird.

Gestaltungsflexibilität: Auf demselben Kühlkörper können Lamellen unterschiedlicher Höhe und unterschiedlichen Abstands erzeugt werden, um den Luftstrom und die thermische Effizienz zu optimieren, beispielsweise indem die Lamellen über der zentralen Wärmequelle höher und dichter angeordnet werden.

Anwendungsgebiete: Kühlkörper mit abgeschrägten Rippen werden vor allem in Anwendungen eingesetzt, die höchste thermische Leistung und Zuverlässigkeit erfordern, wie z. B. Hochleistungs-Chip-Luftkühler und die Mikrokanal-Kühlplatten in Flüssigkeitskühlköpfen.

Oberflächenveredelungen von Kühlkörpern

Unbehandelte Metallkühlkörper weisen eine raue Struktur auf, die den Wärmetransport behindert. Zudem wirkt die Oxidschicht isolierend, und das Metall selbst ist in rauen Umgebungen korrosionsanfällig. Oberflächenbehandlungen beheben diese Probleme.

Eloxieren

Eloxal-Service Das Anodisieren eignet sich für Kühlkörper aus Aluminium und Aluminiumlegierungen. Dabei wird typischerweise in einer Schwefelsäureatmosphäre ein externer Strom angelegt, um eine Oxidschicht auf der Kühlkörperoberfläche zu bilden. Dies gleicht effektiv die Defizite der Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Aluminiumlegierung aus. Im Gegensatz zur herkömmlichen elektrostatischen Pulverbeschichtung beeinträchtigt das Anodisieren die Kühlwirkung des Kühlkörpers nicht, was es bei Herstellern beliebt macht.

• Vorteile: Hohe Härte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, gute Isolation (Durchschlagspannung über 200 V), erhältlich in verschiedenen Farben (üblicherweise Schwarz). Das Verfahren ist ausgereift, stabil und kostengünstig.
• Nachteile: Die Oxidschicht führt zu einem gewissen Wärmewiderstand, was die Wärmeableitung geringfügig beeinträchtigt (die Gesamtleistung ist jedoch ausgezeichnet). Die Farbe ist hauptsächlich Schwarz, andere Farben können unter Umständen etwas geringere Auswirkungen haben.
• Anwendung: Die gängige Wahl für CPU/GPU-Kühlrippen und -Sockel.

Galvanotechnik

Galvanotechnik Dabei wird eine dünne Schicht eines anderen Metalls oder einer Legierung auf die Metalloberfläche des Kühlkörpers aufgebracht. Dieses Verfahren verhindert Oberflächenoxidation und verbessert Verschleißfestigkeit, Leitfähigkeit, Reflexionsvermögen, Korrosionsbeständigkeit und Optik. Es ist ein wirtschaftliches und wissenschaftlich fundiertes Verfahren zur Erzeugung einer schützenden und zugleich dekorativen Oberfläche.

• Nickelbeschichtung: Bietet hervorragenden Korrosionsschutz und eine silberweiße, strukturierte Oberfläche. Wird häufig zum Schutz von Kupferbasen oder -verbindern verwendet. Die Beschichtung ist gleichmäßig und eignet sich für komplexe Formen, jedoch kann eine zu dicke Schicht die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigen (Nickel hat eine Wärmeleitfähigkeit von 90 W/mK).
• Verchromung: Sorgt für hohe Härte und hohe Reflektivität (vorteilhaft für die Wärmeabstrahlung). Sie hat ein glänzendes Aussehen und wird häufig für dekorative Teile verwendet.
• Silberplattierung: Theoretisch bietet sie eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit von 429 W/mK, nahe an der von reinem Kupfer (398 W/mK), ist aber kostspielig. Sie wird hauptsächlich in High-End- oder Spezialanwendungen wie der Luft- und Raumfahrt sowie in Hochfrequenzgeräten eingesetzt.

Mikrolichtbogenoxidation

Mikrolichtbogenoxidation ist eine Weiterentwicklung der Anodisierung, die eine überlegene Beschichtung erzeugt. Durch die Abstimmung von Elektrolyt und elektrischen Parametern erzeugt eine Lichtbogenentladung kurzzeitig hohe Temperaturen und Drücke, wodurch eine modifizierte Keramikbeschichtung auf der Oberfläche von Ventilmetallen (wie Aluminium, Magnesium, Titan) und deren Legierungen entsteht. Diese Beschichtung besteht hauptsächlich aus dem Grundmetalloxid, ergänzt durch Elektrolytkomponenten, und ihre Korrosions- und Verschleißfestigkeit ist deutlich besser als bei herkömmlichen Verfahren. traditionelles Anodisieren.

• Vorteile: Extrem hohe Härte (nahezu keramisch), erstklassige Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, gute Isolationsfähigkeit und feste Verbindung zwischen Schicht und Substrat. Es kann die Oberflächenemissionsfähigkeit von Aluminiumlegierungen deutlich erhöhen.
• Nachteile: Hohe Kosten. Die Schicht ist relativ dick, wodurch ihre Wärmeleitfähigkeit geringer ist als bei der Anodisierung, was die Kühlleistung negativ beeinflusst. Die Farbe ist typischerweise grauweiß oder dunkelgrau.
• Anwendung: Häufig eingesetzt in speziellen thermischen Szenarien mit extrem hohen Anforderungen an Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, wie z. B. Kühlkörper in bestimmten militärischen, Luft- und Raumfahrt- oder anspruchsvollen industriellen Umgebungen.

Wie kann Getzshape helfen?

Getzshape ist Ihr unverzichtbarer Fertigungspartner für die Herstellung von Kühlkörpern aus Aluminium, Kupfer oder anderen fortschrittlichen Materialien. Dank unseres zertifizierten Netzwerks und unserer eigenen Fertigungsstätte kann Getzshape die CNC-Bearbeitung übernehmen, Druckgussserviceund Drahterodieren, das für Hochleistungskühlkörper erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Endprodukte die Anforderungen erfüllen, die für eine Wärmeeffizienz der nächsten Generation notwendig sind.