Wärmeableitgehäuse Kühlrippengehäuse zur Entwärmung von Elektronik

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Um Elektronik vor Überhitzung zu schützen und so einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern, ist ein Entwärmungskonzept notwendig. Unsere Autorin erklärt, warum sich Wärmeableitgehäuse aus Aluminium besonders eignen.

Wärmeableitgehäuse werden aus Aluminium gefertigt, denn dieser Werkstoff eignet sich wegen seiner hohen Wärmeableitfähigkeit von bis zu 235 W (mK) perfekt zur deren Herstellung. Je höher der Wärmeableitwert, desto kleiner ist der Wärmewiderstand (K/W), der beschreibt, wie viel Temperatur (Kelvin) pro Leistung (Watt) ein Bauteil bzw. Werkstoff abführen kann. Des Weiteren bildet Aluminium in einer oxidierenden Umgebung auf natürliche Weise eine dünne Oxidschicht, die die Oberflächen des Werkstoffs und der daraus gefertigten Artikel vor Korrosion schützt. Die Widerstandsfähigkeit wird durch Eloxieren der Oberflächen weiter gesteigert. Eine EMV-gerechte Ausführung wird durch eine transparente, elektrisch leitende Passivierung erreicht. Diese Passivierung verhindert das natürliche Entstehen der elektrisch nicht leitenden Aluminiumoxidschicht.

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Reinaluminium ist relativ weich, jedoch lassen sich Festigkeit und Formbarkeit durch verschiedene Legierungselemente erhöhen. So entsteht ein robustes und stabiles Material, dass sich leicht be- und verarbeiten lässt. Aluminiumlegierungen wie EN AW 6060 oder EN AW 6063 eignen sich besonders für das Strangpressverfahren. Bei diesem Verfahren werden unter anderem Kühlkörper- und Gehäuseprofile hergestellt, die für Wärmeableitgehäuse eingesetzt werden.

Der Aufbau von Wärmeableitgehäusen ist unterschiedlich und richtet sich nach den Anforderungen, die an das Gehäuse gestellt werden.

Den wesentlichen Teil eines Wärmeableitgehäuses bildet immer ein mit Kühlrippen versehenes Außenprofil. Dieses Kühlrippenprofil gewährleistet die Ableitung der Wärme an die Umgebung, die durch die Leistungskomponenten im Inneren des Gehäuses entsteht. Mit Hilfe der Kühlrippenkontur wird die Oberfläche des Gehäuseprofils vergrößert, wodurch ein besserer Energieaustausch erreicht, und der Wärmewiderstand reduziert wird. Durch eine thermische Kontaktierung der Leistungskomponente mit dem Kühlprofil, nimmt das Profil die entstehende Wärme auf, und kann diese über die Kühlrippen an die Umgebung ableiten.

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CE-Kennzeichnung nach Niederspannungsrichtlinie

Kühlrippenprofil gestaltet Gehäuseaufbau

In Kombination mit anderen Gehäuseprofilen und/oder Blechen gestaltet dieses Kühlrippenprofil den Gehäuseaufbau. Der Abschuss der Gehäuse erfolgt durch die front- und rückseitigen Deckelplatten. Damit Kunden für ihre Anwendung das passende Gehäuse finden, bieten Hersteller ihre Gehäuse in verschiedenAufen Längen, Breiten und Ausführungen an.

Der sehr unterschiedliche Einsatz elektronischer Geräte erfordert nicht nur Gehäuse mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften, sondern auch mit verschiedenen funktionellen Eigenschaften.

Einseitig offene, U-förmige Kühlrippenprofile bilden eine Gehäuseschale und damit den Hauptgehäusekörper. Sie verfügen neben den außenliegende Kühlrippen über innenseitige Führungskanäle für schiebbare Vierkantmuttern oder Gewindestreifen, die zur Befestigung von Platinen oder Montageplatten mittels längenvariabler Abstandsbolzen dienen.

Im Profil integrierte Führungsnuten gewährleisten die Aufnahme von Leiterplatten. Gehäusevarianten mit einschiebbaren Deckblechen bieten Integrationsmöglichkeiten für Folientastaturen. Entsprechend mechanisch bearbeitete Deckbleche ermöglichen die Anbringung von Bauteilen wie LCDs oder Steckverbindern. Die Kühlrippenprofile bilden bei solchen Ausführungen die Seitenwände des Gehäuses und werden durch einschiebbare Deck- und Bodenbleche ergänzt. Die stirnseitigen Deckelplatten bilden dann nicht nur den Abschluss sondern auch die Fixierung der Gehäuseelemente. Enthalten die Gehäuseschale oder die Seitenwandprofile keine Kühlrippen, komplettiert ein einschiebbarer Kühlkörper den Gehäuseaufbau, der die Wärmeableitung gewährleistet.

Einige Gehäuse-Typen werden optional mit Befestigungslaschen für eine Wand- und Deckenmontage oder mit einer Klammerbefestigung für die Montage an Tragschienen nach DIN 50022 bzw. DIN EN 60715 angeboten.

Gehäusesysteme

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Standardmäßig sind Wärmeableitgehäuse in den Oberflächenausführungen naturfarben eloxiert (ME) und schwarz eloxiert (SA) erhältlich. Für eine dekorative Oberflächenqualität ist eine Oberflächenbehandlung durch Sandstrahlen, Schleifen und Polieren als Vorbereitung für eine Anodisierung möglich. Wird für eine EMV-gerechte Ausführung eine elektrisch leitende Passivierung der Oberfläche benötigt, besteht die Möglichkeit, diese empfindlichen Oberflächen durch eine schwarze und stoßfeste Lackierung zu schützen. Der große Maschinenpark der Firma Fischer Elektronik ermöglicht umfangreiche Bearbeitungsvarianten sämtlicher Gehäuse, Kühlkörper, Deckelplatten und Deckbleche nach individuellen Kundenvorgaben. Die Verwendung moderner CNC-Automaten gewährleistet dabei höchste Bearbeitungsqualität. Des Weiteren stehen Beschriftungsverfahren wie das Siebdruckverfahren, Tampondruck, Untereloxaldruck und digitaler UV-Druck zur Verfügung.

Zubehör für Gehäuse

Voraussetzung für eine optimale Wärmeabfuhr ist, dass die Kontaktierung nicht durch Lufteinschlüsse zwischen dem Kühlrippenprofil und der Wärmequelle gestört wird. Solche oft mikroskopisch kleinen Luftpolster sind möglichst zu beseitigen, denn das Medium Luft verfügt über einen sehr viel höheren Wärmewiderstand als Aluminium. Um den durch Lufteinschlüsse erhöhten Kontaktwärmewiderstand zu reduzieren, ist der Einsatz von Wärmeleitmaterial, das zwischen Wärmequelle und Kühlprofil platziert wird, essenziell.

Aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit und ihrer Fähigkeit unerwünschte Lufteinschlüsse auszufüllen, sind Wärmeleitfolien, Wärmeleitpastenasten oder -Kleber in der Lage, die Leistungskomponenten mit dem Profil bestmöglich zu verbinden. Diese Wärmeleitmaterialien, die z. B. aus Silikon, Graphit oder Phase-Change-Material bestehen, passen sich den Kontaktflächen von Leistungskomponente und Wärmesenke an, füllen unerwünschte Luftpolster und optimieren damit den Gesamtwärmewiderstand, wodurch die Wärme wirksamer abgeführt wird.

Werden elektronische Geräte in unmittelbarer Nähe von anderen elektronischen Geräten betrieben, stellt sich die Frage der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Um das Eindringen und das Austreten von elektromagnetischer Strahlung zu verhindern, werden neben der elektrisch leitenden Passivierung der Gehäuseelemente spezielle EMV-Dichtungen angeboten.

Elektronische Systeme werden bei stetig zunehmender Rechenkapazität, und damit steigender Verlustleistung (Wärme), oft immer kleiner und kompakter. Der kleiner werdende Bauraum dieser Systeme gestaltet die Wärmeabfuhr immer komplizierter. Hier leisten Wärmeableitgehäuse aus Aluminium einen wesentlichen Beitrag. Fischer Elektronik bietet nicht nur ein breites Produktsortiment von verschiedenen Gehäusetypen sowie deren Zubehör an, das Unternehmen unterstützt und berät Kunden auch bei der richtigen Wahl und Gestaltung eines Gehäuses. (ud)

* Bettina Lochen ist staatlich geprüfte Technikerin im Bereich Gehäuseentwicklung bei der Fischer Elektronik GmbH & Co.KG.

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