Lytron - Total Thermal Solutions
Quick NW Quick NE
 

Tools & Technische Hinweise

 
 

Kostenfaktoren bei der Kühlplattenherstellung

Vakuumgelötete Kühlplatte

Preise für Kühlplatten können erheblich variieren. Wenn Sie die Gründe für diese Preisunterschiede verstehen, können Sie Ihre Kosten leichter reduzieren und dennoch die Leistung erhalten, die Sie für die richtige Kühlung Ihrer Anwendung benötigen. Die beiden größten Kostenfaktoren bei der Kühlplattenherstellung sind die Anforderungen an die Wärmeleistung und der jährliche Bedarf. Letzterer entzieht sich im Wesentlichen der Kontrolle der Wärme- und Fertigungstechniker. Sie können jedoch Kosten reduzieren, wenn Sie verstehen, wie sich das Zusammenspiel von Rauheit, Ebenheit, Härte und Struktur der Oberfläche, bestimmten Montageeigenschaften und Spezifikationen für Flüssigkeitsanschlüsse auf die Kosten einer Kühlplatte auswirkt. Wenn Sie den Hersteller Ihrer Kühlplatte schon früh in den Designprozess mit einbeziehen, können Sie die Faktoren für die Herstellungskosten identifizieren und ein möglichst effektives Design auswählen.

Die meisten Kühlplatten werden aus Aluminium gefertigt, aber bei einigen Technologien wird Kupfer verwendet. Obwohl Kupfer eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird Aluminium häufiger verwendet, weil es in der Regel preisgünstiger, leichter und einfacher zu verarbeiten ist. Die maschinelle Bearbeitung von Kupfer ist sehr schwierig und teuer. Wenn Aluminium den Spezifikationen für die Wärmeleistung entspricht, ist es im Allgemeinen die beste Wahl bei den Materialien.

Zwei der am weitesten verbreiteten Aluminiumkühlplattentechnologien   sind Röhrenkühlplatten und vakuum-hartgelötete Kühlplatten. (Siehe Abbildung 1.) Röhrenkühlplatten  bestehen in der Regel aus Kupfer- oder Edelstahlröhren, die in ein kanalisiertes Aluminiumstrangpressprofil gepresst oder expandiert werden. Sie sind kosteneffizient und bieten gute Massenwärmeabfuhr für niedrige bis mittelgroße Wattdichte. Vakuumgelötete Kühlplatten bestehen aus zwei Platten, die metallurgisch über eine interne Kühlrippe verbunden sind. Sie sind in allen Größen verfügbar und bieten extreme Hochleistung, wodurch sie ideal für Anlagen sind, in denen die Wärmeverluste konzentriert sind. Für Röhrenkühlplatten und vakuumgelötete Kühlplatten wird relativ wenig Arbeitszeit aufgewendet. Darum sind Kühlplattenhersteller in den Vereinigten Staaten äusserst wettbewerbsfähig gegenüber Herstellern in Niedriglohnländern bei geringen Stückzahlen. Die Einsparungen durch die geringeren Arbeitskosten bei der Fertigung durch Hersteller in Niedriglohnländern gehen normalerweise durch Frachtkosten und Zölle, zusätzliche Bestände wegen der langen Transportzeiten und Probleme mit Sprachbarrieren und Zeitzonendifferenzen wieder verloren. Um bei Bestellungen aus Niedriglohnländern Einsparungen zu erzielen, müssen normalerweise mindestens 10.000 Kühlplatten pro Jahr geliefert werden.

Die größten Kostenfaktoren für Aluminiumkühlplatten sind außer den bereits erwähnten, die Zeiten für maschinelle Bearbeitung und zusätzliche Verarbeitungsschritte. Kühlplattenhersteller assoziieren in der Regel bestimmte Kosten mit der maschinellen Bearbeitungszeit. Darunter fallen die Wertminderung der Maschine, Energie, Teile und Wartung. Darum ist eine Kühlplatte umso teurer, je länger sie in der Maschine steckt. Jeder zusätzliche Verarbeitungsschritt steigert die Kosten ebenfalls noch weiter.

Extrusionen und Gussformen

Zur Minimierung der machinellen Bearbeitungszeit und Kosten empfiehlt es sich so häufig wie möglich auf Extrusionen und Druckgusstechnologien zurückzugreifen. Für die Herstellung einer Extrusion wird Metall durch eine Pressmatrize gedrückt, so dass ein Objekt mit festem Querschnitt entsteht. Pressmatrizen für eine neue Extrusion sind relativ günstig (ca. 2000 US-Dollar). Allerdings kann eine Extrusion bei den Stückzahlen in diesem Markt nur maximal 22,86 cm (9 Zoll) breit sein. Außerdem muss die Wanddicke einer Extrusion relativ einheitlich und alle Kanäle oder sonstigen Produktmerkmale gerade sein.

Ihr Hersteller kann also eine Kombination aus Extrusionen und maschineller Bearbeitung verwenden, um die Kosten zu senken. Für einige Produktmerkmale kann eine Extrusion angefertigt werden und kompliziertere Teile, für die Extrusionen nicht in Frage kommen, können maschinell hergestellt werden. Eine weitere Möglichkeit für die Fertigung von Prototypen ist die maschinelle Herstellung der Kühlplatte für geringere Stückzahlen und die anschließende Fertigung der Pressmatrize für die Extrusion, wenn das Design bereits geprüft und fixiert ist. Dadurch bleiben die Extrusionskosten gering, vorausgesetzt, dass Sie die für die Extrusion vorgesehenen Teile beim Design der Platte von vornherein mit einplanen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Fertigung von Kühlplatten durch Gießen. Diese Technik hat allerdings einige Nachteile. Zunächst einmal wird die Wärmeleistung leicht eingeschränkt. Diese Einschränkung kann bis zu 10% ausmachen. Zweitens können nur beschränkte Toleranzen erreicht werden. Eine Extrusion kann beispielsweise ohne Probleme eine Toleranz von ±0,0127 cm/cm aufweisen, während ein Sandguss mit größerer Wahrscheinlichkeit ±0,0762 cm/cm erreicht. Eine Sanddruckgussform kostet in der Regel um $6000 und lässt sich für mehrere hundert Kühlplatten verwenden. Gussformen für HighTech-Anwendungen werden im Modellausschmelzverfahren gefertigt, so dass sie bis zu 10 Mal teurer als Sandgussformen sein können. Auch hier können Gussverfahren mit maschineller Bearbeitung kombiniert werden. Wenn der Guss beispielsweise nicht flach genug ist, kann die Kühlplatte in einem zweiten Verfahren so bearbeitet werden, dass sie die nötige Ebenheitsspezifikation erfüllt. Beachtet werden sollte, dass die Sandgussformen nicht für vakuumgelötete Kühlplatten in Frage kommen, weil die meisten verwendeten Legierungen einen Schmelzpunkt unterhalb der Vakuumlöttemperatur haben. Sie können ausschließlich für Röhrenkühlplatten verwendet werden. Es empfiehlt sich, Angebote für beide Produktionsprozesse einzuholen und das Pro und Kontra jeweils sorgfältig abzuwägen.

Die Mindestbestellmenge für eine Extrusion oder eine Gussform ist normalerweise hoch. Sie brauchen also die passende Anwendung, damit sich diese Prozesse auch lohnen. Insgesamt können durch Extrusionen und Gussformen erhebliche Kosten eingespart werden. Allerdings lassen sich diese Technologien nicht leicht ändern. Wenn Sie also zukünftige Änderungen einplanen, dann ist es sinnvoller, andere Fertigungsmethoden zu wählen.

Abbildung 1 Ebenheit und Rauheit der OberflächeAbbildung 2: Example of Surface Flatness and Roughness

Rauheit der Oberfläche

Eine Anforderung, die bei geringer Erhöhung der Leistung erheblich die Kosten steigern kann, ist die Rauheit der Oberfläche (das Finish). Unter Rauheit versteht man bei Kühlplatten die Unebenheiten, Furchen oder Vorsprünge auf der Oberfläche, die die Ungleichmäßigkeit der Wärmeübertragungsfläche bedingen. Entgegen der allgemeinen Auffassung wirkt sich die Rauheit nur relativ gering auf die Wärmeleistung von Kühlplatten aus. (Siehe Abbildung 2.) Bei den meisten Anwendungen besteht ein Oberflächenkontakt von weniger als 10%, also Luftlöcher von über 90% zwischen der Kühlplatte und der Komponente. Durch eine glattere Oberfläche wird der prozentuale Anteil der Luftlöcher nur unwesentlich reduziert.
 
Eine typische maschinell bearbeitete Kühlplatte hat ein Oberflächenfinish von 81 - 163 µcm (32 - 64 µZoll). Für die meisten Anwendungen ist das völlig ausreichend. Die Rauheit kann mit einem Standardzentrum für maschinelle Bearbeitung auf 41 µcm (16 µZoll) reduziert werden. Allerdings müssen die Teile dazu starrer befestigt werden, um mögliche Verschiebungen zu verhindern, und der Maschinenbearbeitungskopf muss bei geringeren Geschwindigkeiten und langsamerem Vorschub laufen. (Die Geschwindigkeit ist die Drehzahl des Schneidewerkzeugs, und der Vorschub ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Maschinenkopf über die Kühlplatte bewegt.) Durch die Reduzierung von Geschwindigkeit und Vorschub verbleibt das Teil länger im Maschinenbearbeitungszentrum. Das bedeutet höhere Kosten.

Die meisten Anwendungen verwenden ein Wärmeleitmaterial zwischen der Komponente oder der Platte und der Kühlplatte, um die Luftlöcher möglichst gering zu halten. Ein Wärmeleitmaterial sollte so dünn wie möglich sein, weil der relativ hohe Wärmewiderstand des Materials die verbesserte Leitfähigkeit durch eine glattere Oberfläche in hohem Maße beeinträchtigt. Durch erhöhten Klemmdruck der Komponente oder Platine mit der Kühlplatte kann eine größere Rauheit ebenfalls ausgeglichen werden, aber die Belastung der Platte oder Komponente wird dadurch unter Umständen ebenfalls erhöht. Durch den Klemmdruck kann auch die Auswirkung ungleicher Wärmeausdehnungskoeffizienten erhöht werden, weil sich die Kühlplatte und die Komponente oder Leiterplatte aufheizen.

Ebenheit der Oberfläche

Die Ebenheit der Oberfläche wirkt sich stärker auf die Wärmeleistung einer Kühlplatte aus als die Rauheit der Oberfläche, weil der Kontaktbereich bei unebenen Kühlplatten stark reduziert wird. (Siehe Abbildung 2.) Die Standardspezifikation für die Ebenheit beträgt 0,003 cm/cm (0,001 Zoll/Zoll). Das heißt, dass innerhalb von einem Zentimeter von Ihrem Messpunkt aus der niedrigste Punkt der Kühlplatte nicht niedriger als 0,003 cm unter dem höchsten Punkt liegen wird. Wenn Ihre Spezifikation eine bessere Ebenheit als 0,003 cm/cm erfordert, können Sie Geld sparen, wenn Sie die Ebenheit nur für einzelne Stellen der Platte anstatt für die gesamte Kühlplatte angeben. Wenn Sie beispielsweise mehrere isolierbeschichtete zweipolige Transistoren auf eine Kühlplatte bauen und jeder dieser Transistoren eine Ebenheit von 0,003 cm/cm auf der gesamten Grundplatte erfordert, dann sollten Sie eher die lokale Ebenheit eines einzelnen Transistors angeben anstatt eine Platte anzufordern, die auf der ganzen Fläche sehr eben sein soll.

Für den Abflachungsprozess einer Kühlplatte wird in der Regel eine hydraulische Presse eingesetzt. Zur Verbesserung der Ebenheit kann ein Skim-Cut durchgeführt werden. Bei einem Skim-Cut bestimmt das maschinelle Werkzeug den niedrigsten Punkt Ihrer Kühlplatte und trägt ganz wenig Metall am niedrigsten Punkt und so viel Material wie nötig in den höheren Bereichen ab, um eine ebene Oberfläche herzustellen. Das Skim-Cutting eines Aluminiumblocks ist sehr einfach, bei einer vakuumgelöteten Kühlplatte oder auf der Röhrenseite einer Röhrenkühlplatte ist dieser Prozess jedoch schwieriger. Die Kühlflächen vakuumgelöteter Kühlplatten und Röhren in Röhrenkühlplatten sind in der Regel dünn zugunsten einer optimalen Wärmeleistung. Wenn die Kühlplatte nicht eben ist, könnte der Skim-Cut zu tief ausfallen. Dadurch würden die Wände noch dünner und könnten zu schwach werden, um den Druck auszuhalten, oder sogar reißen. Alternativ können Sie mit einer dickeren Kühlplatte beginnen, um die Gefahr von Lecks auszuschließen, aber das wird die Leistung beeinträchtigen.

Abbildung 3: Im Ofen wärmebehandelte KühlplattenAbbildung 3: Im Ofen wärmebehandelte
Kühlplatten

Oberflächenstruktur

Für niedrige Kosten ist es auch wichtig, die Oberflächenstruktur möglichst gering zu halten, insbesondere bei Leiterplattenanwendungen. Eine komplexe Oberflächenstruktur erfordert im Allgemeinen, dass man mit einem dickeren Aluminiumblock beginnt und überschüssiges Aluminium maschinell entfernt. Dadurch entstehen höhere Materialkosten und die maschinelle Bearbeitungszeit verlängert sich. Wenn die Struktur nicht entfernt werden kann, kann der Bedarf an maschineller Bearbeitung reduziert werden, indem man Komponenten mit ähnlicher Höhe auf der Platte bündelt.

Härte

Eine gegossene, extrudierte oder vakuumgelötete Kühlplatte ist nach der Verarbeitung oft weich und weist in der Regel nur eine Härte von T0 auf. Da die maschinelle Bearbeitung und Verarbeitung von weichem Aluminium sehr schwierig ist, müssen die Kühlplatten gehärtet werden. Will man den Härtegrad von T0 auf T4 steigern, dann muss man die Kühlplatte wärmebehandeln. Beim Wärmebehandlungsprozess wird die Kühlplatte auf 538 °C (1000 °F) erhitzt und ca. 1 Stunde je Zoll (2,54 cm) Kühlplattendicke an ihrer dicksten Stelle im Ofen belassen. Anschließend wird sie durch sehr rasches Abkühlen einem Thermoschock ausgesetzt. (Siehe Abbildung 3.) Ein Verfahren zur Abkühlung der Kühlplatte besteht darin, sie aus dem Ofen direkt in ein mit einer wässrigen Lösung gefülltes Tauchbecken fallen zu lassen. Für die Härtung der Kühlplatte von T4 auf T6 muss sie bei erhöhter Temperatur getempert werden. Dafür heizt man die Kühlplatte 8 - 16 Stunden lang auf 149 °C-204 °C (300 °F-400 °F) auf. Der Härtegrad T6 bietet eine sehr harte Kühlplatte mit hoher Zugfestigkeit. Diese Eigenschaft ist normalerweise für Anwendungen in Verteidigung, Luft- und Raumfahrt erforderlich. Für die meisten Anwendungen reicht hingegen der Härtegrad T4 aus, und eine Spezifikation von T6 würde nur unnötig die Kosten steigern.

Vorrichtungen für die Befestigung / Löcher

Ein weiterer Kostentreiber bei der Herstellung von Kühlplatten sind zusätzliche Löcher. Durch ein einziges Loch können die Kosten für eine Kühlplatte um $3 steigen. Einer der Hauptgründe dafür, dass Löcher zusätzliche Kosten verursachen, liegt darin, dass Löcher nicht in den Flüssigkeitsweg gebohrt werden können. Darum muss bei einer Röhrenkühlplatte eine Rohrbiegung gefertigt werden, damit das Loch angebracht werden kann. Jede zusätzliche Biegung verursacht Kosten. Bei einer vakuumgelöteten Kühlplatte muss im Flüssigkeitsweg eine Insel gefertigt werden. Das bedeutet, dass die Innenplatte elektro-erosiv bearbeitet werden muss. Dadurch kann sich die maschinelle Bearbeitungszeit deutlich erhöhen - und damit auch die Kosten.

Es gibt diverse Arten von Löchern. Bei einem Durchgangsloch geht das Loch von einer Seite der Kühlplatte bis zur anderen durch. Eine weitere Art ist eine Bohrung mit Schraubengewinde. Dadurch, dass Aluminium relativ weich ist, haben Gewindebohrungen nur eine begrenzte Lebensdauer, wenn die Komponenten oder Platten häufig ausgetauscht werden. Für Gewindebohrungen werden häufig Gewindeeinsätze aus Draht (Helicoils) verwendet. Ein Gewindedrahteinsatz ist ein stabiler Stahleinsatz, der das Gewinde für Anwendungen verstärkt, bei denen die Komponenten voraussichtlich häufig ausgetauscht werden. Durchgangslöcher werden durch einen einfachen Bohrungsprozess gefertigt, während Gewindebohrungen in derselben Maschinenumgebung noch ein zusätzliches Werkzeug erfordern. Helicoils können nur in Gewindebohrungen eingebaut werden, und der Einbau von Helicoils an sich wird außerhalb des maschinellen Bearbeitungszentrums durchgeführt. Fazit: Durchgangslöcher sind am kostengünstigsten und Gewindedrahteinsäze sind am teuersten.

Enge Toleranzen bei der Lage und dem Abstand zwischen den Löchern können ebenfalls die Kosten in die Höhe treiben. Eine angemessene Toleranzspezifikation ist ±0,013 cm (±0,005 Zoll). Wie bei der Ebenheit auch können die Kosten durch Spezifikation lokaler Toleranzen reduziert werden, wo dies möglich ist. Bei großen Kühlplatten, deren Löcher relativ weit auseinander liegen können, ist die Toleranz schwieriger einzuhalten. Das liegt unter anderem daran, dass sich die Toleranzen des Maschinenwerkzeugs erhöhen, wenn der Kopf über eine größere Strecke fahren muss. Ein weiterer Grund ist, dass es in der Maschinenwerkstatt ein Temperaturgefälle von bis zu 10 °C geben kann. Dadurch kann sich die Kühlplatte um bis zu 0,013 cm ausdehnen oder zusammenziehen. Für Durchgangslöcher ist es am einfachsten, eine engere Toleranz zu definieren, weil Durchgangslöcher mit einem einzelnen Werkzeugvorgang gefertigt werden. Bei Gewindebohrungen hingegen ist es schwieriger, enge Toleranzen einzuhalten, weil für ihre Fertigung zwei Werkzeuge nötig sind. Helicoils sind für die Toleranzen am schwierigsten, weil bei dem Prozess erst eine Gewindebohrung gefertigt werden muss und Helicoils an sich ebenfalls Toleranzen haben. Diese Toleranzen summieren sich, so dass der Prozess für den Hersteller komplizierter und teurer wird. Eine weitere Möglichkeit, Kosten zu senken, ist das Vermeiden kleiner Gewindebohrungen. Bei Lochweiten von 4-40 oder weniger ist das Ausbohren des Gewindes schwierig, weil der Gewindebohrer beim Bohren durchbrechen kann. Dieses Problem kann minimiert werden, indem die Maschine bei wesentlich geringeren Drehzahlen betrieben wird. Eine andere Möglichkeit, enge Toleranzanforderungen bei einer Kühlplatte einzuhalten, ist die Vergrößerung der Montagelöcher auf der Komponente oder der Platte.

Flüssigkeitsanschlüsse

Für Flüssigkeitsanschlüsse eignen sich im Allgemeinen gerade Anschlussbuchsen mit Innengewinde und O-Ring am besten. Im Gegensatz zu einem geschweißten System bietet dieses System die beste Dichtung bei niedrigsten Kosten. Rohranschlüsse wie NPT-Anschlussstücke bieten nicht die Genauigkeit, die für Komponenten wie Kühlplatten erforderlich ist. Bei einer vakuumgelöteten Kühlplatte sollte ein Anschluss mit Außengewinde, beispielsweise mit Haken oder Wulst, vermieden werden, weil für die Verbindung der Anschlussstücke ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist, zum Beispiel Schweißen. Außerdem müssen Anschlussstücke, die über die Kühlplatte herausragen, beim Transport geschützt werden. Dadurch entstehen womöglich zusätzliche Verpackungskosten. Schnellverschlusskupplungen sollten nur eingesetzt werden, wenn sie wirklich nötig sind, weil sie pro Paar bis zu $750 kosten können. Schnellverschlusskupplungen werden für Kühlplatten oder Elektronikkomponenten benötigt, die häufig ausgetauscht werden müssen. Sie sind auch bei Kühlplatten erforderlich, die bereits vor dem Versand mit der Kühlflüssigkeit gefüllt werden. Ein weiterer Punkt, der bei den Flüssigkeitsanschlüssen in Betracht gezogen werden muss, ist die Toleranz des Anschlusses. Die zuführenden Rohre sind in der Regel mit einer beweglichen Komponente ausgestattet. Eine angemessene Toleranz liegt zwischen 0,076 cm und 0,152 cm.

Partner bei Design und Herstellung

Wer schon früh beim Kühlplattendesign den Kühlplattenhersteller einbezieht oder bei Designvorlagen Flexibilität zeigt, kann am meisten Kosten einsparen. Auch wenn die beiden größten Kostenfaktoren bei der Kühlplattenherstellung die Anforderungen an die Wärmeleistung und die jährliche Nachfrage sind, gibt es doch auch zahlreiche Faktoren, die die Wärme- und/oder Komponententechniker durchaus kontrollieren können. Wenn darauf geachtet wird, dass jede Spezifikation gut begründet ist, da jede Spezifikation die Kosten steigern kann, dann hilft das, die Kosten so niedrig wie möglich zu halten. Es ist wichtig, sich darüber klar zu sein, wann Rauheit, Ebenheit, Oberflächenstruktur, Härte, Befestigungsvorrichtungen und Löcher sowie Flüssigkeitsanschlüsse besondere Spezifikationen benötigen. Ebenso ist es auch wichtig zu wissen, dass es nicht nur beim Design viele Alternativen gibt, sondern auch bei den verwendeten Fertigungsprozessen. Dadurch können Beträge bei der Fertigung eingespart werden, die in die Hunderte oder sogar in die Tausende gehen.