Beim Zerlegen bestimmter elektronischer Geräte, wie z. B. Computer oder Haushaltsgeräte, findet man im Inneren stets einen Metallblock. Dieser Metallblock dient als Kühlkörper und ist eine der wichtigsten Komponenten für die Wärmeableitung des Geräts. Ohne ihn könnte die entstehende Wärme nicht an die Umgebung abgegeben oder ausgetauscht werden.
Was ist ein Kühlkörper?
Ein Kühlkörper ist ein Bauteil, das die Betriebswärme von Geräten abführt, um deren einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Er wird hauptsächlich für Kernkomponenten wie Computerprozessoren (CPUs) und Grafikkarten (GPUs) eingesetzt. Je nach Kühlmethode werden Kühlkörper in verschiedene Typen unterteilt, darunter Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Heatpipe-Technologie. Die gängigsten Materialien sind Kupfer- und Aluminiumlegierungen, aber auch nichtmetallische Werkstoffe wie Graphen, wärmeleitende Kunststoffe und Keramiken (z. B. Siliziumkarbid, Bornitrid) kommen zum Einsatz.
Die Wärmeabfuhr erfolgt durch das Zusammenwirken von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Zu den Herstellungsverfahren gehören Techniken wie Aluminiumextrusion und Kupfer-Aluminium-Verbindung. Die Gestaltung und Formgebung der Kühlrippen beeinflussen die Effizienz der Wärmeabfuhr maßgeblich.
Kühlkörpertypen
Kühlkörper gibt es in zahlreichen Ausführungen aufgrund von Unterschieden im Material und in der Strukturgeometrie. Im Folgenden stellen wir einige gängige Kühlkörpertypen vor.
Kühlkörper mit gefalteten Lamellen
Gefaltete Kühlrippen werden in einem Folgeverbundverfahren hergestellt. Anschließend werden sie mit wärmeleitendem Epoxidharz, Hartlöten, Schweißen oder ähnlichen metallurgischen Verfahren mit der Basis verbunden, um den Kühlkörper zu bilden. Ein Vorteil gefalteter Kühlrippen liegt in der Möglichkeit, Aluminium und Kupfer zu kombinieren und so die Kühlleistung an die jeweilige Anwendung anzupassen. Muss die Wärme über eine große Kühlkörperbasis verteilt werden, bietet sich Kupfer aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit an, während die Kühlrippen aufgrund des geringen Gewichts und der niedrigen Kosten aus Aluminium gefertigt werden können.
Kühlkörper mit geschälten Lamellen
Kühlkörper mit abgeschrägten Rippen bestehen aus einem einzigen Materialblock (Kupfer oder Aluminium) und werden mithilfe einer speziellen Abziehmaschine und eines hochpräzisen Abziehverfahrens hergestellt, um hochdichte, hohe und besonders lange Rippenstrukturen zu erzeugen. Diese Kühlkörper überwinden die durch Dicke und Seitenverhältnis bedingten Einschränkungen herkömmlicher Kühlkörper und ermöglichen so die Fertigung von Kühlkörpern mit hochdichten Rippen. Rippen und Basis bilden eine monolithische Einheit. Da Basis und Rippen in einem Stück integriert sind, entsteht kein zusätzlicher Wärmewiderstand. In Kombination mit der hohen Reinheit des abgeschrägten Materials ist die Effizienz von Kühlkörpern mit abgeschrägten Rippen deutlich höher als die von gelöteten Kühlkörpern. Die Wärmeleitfähigkeit erreicht ein Niveau, das mit dem von extrudierten Profilen vergleichbar ist.
Das Abschälverfahren wird auch bei den in letzter Zeit sehr beliebten Mikrokanal-Flüssigkeitskühlplatten angewendet, um die spezifische Oberfläche für den Wärmeaustausch zu vergrößern und die Wirkung der konvektiven Wärmeübertragung zu verbessern.
Der Herstellungsprozess für geschälte Rippenkühlkörper gestaltet sich wie folgt:
- Rohmaterialvorbereitung: Die Profile werden typischerweise anhand der Anforderungen an den Kühlkörper ausgewählt, um die Rohmaterialeinsparung zu maximieren.
- Werkzeugbau/Formenbau: Die Formen werden entsprechend den Produktabmessungen hergestellt, sodass ein oder mehrere Produkte pro Form möglich sind; die Bearbeitung kann kontinuierlich oder stückweise erfolgen.
- CNC-Bearbeitung: Dazu gehören das Abfräsen unerwünschter Abschnitte, das Fräsen von Nuten für Dichtungsringe usw.
- Schälprozess: Der Schälprozess wird mit einer CNC-Schälmaschine durchgeführt.
- Wälzfräsen (Planen): Dies erfolgt durch Bearbeitungsvorgänge auf einer Wälzfräsmaschine.
- Sekundärbearbeitung: Basierend auf den Produktzeichnungen umfasst dies das Abfräsen von Kantenrippen, das Bohren von Löchern in der Mitte, das Erstellen von Freiräumen (Ausweichschnitte), das Planfräsen von Oberflächen, das Bearbeiten von Gewindelöchern und das Erstellen von Befestigungselementen (Schnallensitzen) usw.
- Oberflächenbehandlung: Anodisieren, Galvanisieren und mehr.
Extrudiertes Aluminiumkühlbecken
Aluminiumprofil-Kühlkörper zeichnen sich durch ihr ansprechendes Aussehen, ihr geringes Gewicht, ihre hervorragende Wärmeleistung und ihre hohe Energieeffizienz aus. Die Oberfläche fertiger Aluminiumprofil-Kühlkörper wird anodisch oxidiert, um die Korrosionsbeständigkeit , Verschleißfestigkeit und Optik des Aluminiums zu verbessern. Stranggepresste Aluminium-Kühlkörper werden üblicherweise für Hochleistungs-Thermokomponenten und -systeme eingesetzt. Die Technologie ermöglicht die Herstellung komplexer Rippenstrukturen mittels Formen. Diese komplexen Rippen vergrößern die Wärmeableitungsfläche deutlich und reduzieren gleichzeitig den Aufwand und die Kosten für die Bearbeitung von Aluminiumblöcken.
Geklebter Kühlrippen-Kühlkörper
Geklebte Kühlrippen werden typischerweise durch ein Montageverfahren hergestellt, bei dem eine Schicht dünner Metallrippen auf eine Basis oder ein Substrat geklebt wird.
Der allgemeine Prozessablauf für die Herstellung von geklebten Rippenkühlkörpern ist wie folgt:
- Vorbereitung: Die Basis und die Lamellen, die typischerweise aus Aluminium oder Kupfer bestehen, werden sorgfältig gereinigt, um einen erfolgreichen Verbindungsprozess zu gewährleisten.
- Verklebung: Die Lamellen werden anschließend mit einem Klebstoff, beispielsweise Epoxidharz oder Wärmeleitpaste, auf der Basis befestigt. Der Klebstoff wird üblicherweise gleichmäßig auf die Basis aufgetragen, und die Lamellen werden daraufgesetzt und durch Druck fixiert, um eine feste Verbindung zu gewährleisten.
- Aushärtung: Das Klebematerial wird anschließend ausgehärtet, typischerweise durch Erhitzen oder ultraviolettes Licht (UV-Licht), um eine dauerhafte Verbindung zwischen den Lamellen und der Basis herzustellen.
- Montage: Falls für den Kühlkörper zusätzliche Komponenten wie Befestigungsmaterial oder Schnittstellenmaterialien benötigt werden, werden in dieser Phase Anpassungen an den Komponenten vorgenommen.
Zipper Fin Kühlkörper
Dieser Kühlkörpertyp kombiniert Aluminiumlamellen mit Wärmerohren. Entsprechend der Konstruktionsvorgaben werden Löcher in die Aluminiumlamellen gestanzt, Wärmerohre mit den vorgegebenen Abmessungen eingesetzt und anschließend verklebt und verschweißt. Der Vorteil liegt in der Nutzung des Phasenwechseleffekts der Wärmerohre, wodurch die Wärmeübertragungseffizienz des Kühlkörpers insgesamt gesteigert wird. Darüber hinaus vergrößern die äußeren Aluminiumlamellen die Wärmeaustauschfläche pro Volumeneinheit erheblich und leiten die Wärme durch Konvektion schnell an die Umgebung ab.
Selbstverständlich gibt es noch viele weitere Arten von Kühlkörpern, die hier nicht behandelt werden. Die oben genannten gängigen Typen werden jedoch am häufigsten in aktuellen elektronischen Geräten eingesetzt.
Anwendungen von Kühlkörpern
Kühlkörper finden in vielen Bereichen Anwendung, von Großanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Energiewirtschaft, Metallurgie, Photovoltaik, Schienenverkehr, Automobilindustrie und Kommunikationsbasisstationen bis hin zu kleinen Geräten wie Chips, Servern, Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräten. Überall dort, wo Strom fließt, ist die Verstärkung durch einen Kühlkörper unerlässlich.
Insbesondere bei den aktuell kritischsten KI-Rechenservern ist der Kühlkörper eine extrem wichtige thermische Komponente. Im Hinblick auf die Gesamtkühlung des Systems sind die strukturelle Integrität und die thermische Leistung des Kühlkörpers entscheidende Faktoren für den langfristig stabilen Betrieb des Servers.
Flüssigkeitskühlplatten gelten als Weiterentwicklung von Kühlkörpern. Sie nutzen die konvektive Wärmeübertragung durch Flüssigkeiten, um Wärme schneller abzuführen. Die Struktur der Kühlrippen findet sich auch in den gängigen Mikrokanal-Flüssigkeitskühlplatten wieder, deren Lamellenstruktur jedoch deutlich präziser ist. Der Lamellenabstand beträgt typischerweise weniger als 1 mm, was extrem hohe Anforderungen an die Präzisionsbearbeitung stellt.
Kühlkörpermaterialien
Die Hauptwerkstoffe sind Kupfer und Aluminiumlegierungen, wobei Kupfer im Bereich des High-End-Wärmemanagements dominiert. Kühlkörper aus Aluminiumlegierungen werden vorwiegend in großflächigen Anwendungen eingesetzt, bei denen die thermischen Anforderungen relativ gering, die Anforderungen an die strukturelle Integrität und das geringe Gewicht jedoch höher sind, beispielsweise in elektrischen Energiesystemen, Photovoltaikanlagen, Automobilanwendungen und Kommunikationsbasisstationen. In jüngster Zeit sind neue Metallverbundwerkstoffe auf den Markt gekommen, darunter Graphen-basiertes Aluminium, Diamant-Aluminium-Verbundwerkstoffe und Diamant-Kupfer-Verbundwerkstoffe.
Kühlkörperherstellung
Die gängigen Fertigungsverfahren sind CNC-Bearbeitung und Schälen. Diese Verfahren bieten deutliche Vorteile hinsichtlich Produktionseffizienz und Kosten für mittelgroße bis große Kühlkörper. Allerdings stoßen sie bei der Bearbeitung hochpräziser Mikro-Kühlkörper und komplexer Strukturkühlkörper aufgrund des extrem hohen Werkzeugaufwands und der sehr hohen Werkzeugkosten an ihre Grenzen.
Für ultradünne Kühlrippen, wie beispielsweise Mikrokanal-Flüssigkeitskühlplatten mit Kanalabständen von weniger als 1 mm oder sogar nur 0.1 mm, ist der Einsatz von Metall-3D-Drucktechnologie unerlässlich. Diese Technologie ermöglicht bahnbrechende Verbesserungen der Wärmeleistung, da sie die Realisierung komplexer, speziell für die Wärmeableitung optimierter Strukturen erlaubt. So lassen sich beispielsweise bei Kühllösungen für High-End-KI-Beschleunigerkarten passgenaue, nicht standardisierte Strukturen herstellen, die sich optimal an die Chipoberfläche anpassen. Durch die Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche, die Optimierung des Strömungskanaldesigns und die Verbesserung der Flüssigkeitsmischung erzielt diese Technologie eine hocheffiziente Wärmeableitung, reduziert den Stromverbrauch der Pumpe und verhindert effektiv lokale Überhitzung.
Bei Kühlkörpern mit hochkomplexen Strukturen führen herkömmliche Bearbeitungsverfahren zu aufwendigen Werkzeugen und Vorbereitungen, was die Produktionseffizienz mindert und hohe Kosten verursacht. Die 3D-Metalldrucktechnologie löst dieses Problem optimal und hat in letzter Zeit bedeutende Fortschritte bei Drucklösungen für Kupferkühlkörper erzielt.
