Beim Betrieb elektronischer Bauteile fallen unvermeidlich Verlustleistungen in Form von Wärme an, die über Kühlkörper abgeführt werden muss. Bei der Auslegung passgenauer Elektronik-Kühlkörper spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle, darunter neben der Verlustleistung auch der zur Verfügung stehende Bauraum und die Kühlungsart (passiv, aktiv, Wasserkühlung). Diese Rahmenparameter bestimmen die Kühlkörpergeometrie, das Fertigungsverfahren und nicht zuletzt das Kühlkörpermaterial.
Das wichtigste Kriterium für die Auswahl des Materials ist dessen thermische Leitfähigkeit. Dabei gilt: je höher die Dichte, desto besser die Wärmeleitung. Der beste Wärmeleiter ist Diamant mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von 2‘300 W/mK. Dann folgen mit weitem Abstand Silber (λ = 429 W/mK), Kupfer (λ = 398 W/mK), Gold (λ = 311 W/mK) und Aluminium (λ = 234 W/mK) – immer in ihrer reinen Form.
Welches Material eignet sich am besten für Kühlkörper?
Für den Einsatz als Kühlkörper spielt nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Materials eine Rolle. Auch die Wärmeabgabe an die Umgebung, das Gewicht des künftigen Kühlkörpers und nicht zuletzt der Preis des Materials sind zu berücksichtigen. Daher hat sich Aluminium als gängigstes Kühlkörpermaterial durchgesetzt, obwohl es der schwächste Wärmeleiter unter den Top 5 ist. Das Material punktet allerdings durch eine hervorragende Wärmeabgabe, sein geringes Gewicht und den moderaten Preis. Typischerweise kommt Aluminium als Strangguss- oder Druckgusslegierung zum Einsatz – in Einzelfällen (speziell für kaltfließgepresste LED-Kühlkörper) auch als Reinaluminium.
Der hervorragende Wärmeleiter Kupfer ist ebenfalls ein beliebtes Material für Kühlkörper. Aufgrund seines höheren Preises und höheren spezifischen Gewichts wird es jedoch nur dann bevorzugt verwendet, wenn besonders hohe Wärmemengen in kürzester Zeit abgeführt werden müssen und der Bauraum begrenzt ist. Kupferne Kühlkörper wie beispielsweise Skived Kühlkörper werden typischerweise mit einem Lüfter kombiniert.
Materialmix für leistungsstarke Kühlkörper
Um das Optimum aus Gewicht, Preis und Leistung zu erzielen, werden beide Materialen häufig kombiniert. Dann besteht die Kühlkörperbasis, die am Hotspot im direkten Kontakt mit dem elektronischen Bauteil steht, aus Kupfer, während die Kühlrippen aus Aluminium gefertigt sind. Das Ergebnis sind besonders leistungsstarke Kühlkörper.