Durch die steigende Verlustleistung von elektronischen Systemen und geringem Bauraum gestaltet sich die Wärmeabfuhr immer komplizierter. Der vielseitige Einsatz elektronischer Baugruppen erfordert Gehäuse mit sehr guten Wärmeableiteigenschaften und mehr.

Bild 1: Anhand von Diagrammen ist der Wärmewiderstand eines Gehäuses, gemessen an der Gehäuselänge, abzulesen. Diese Diagramme ermöglichen dem Anwender ein geeignetes Gehäuse auszuwählen. (Bild: Fischer Elektronik)

Die Verlustleistung (Wärme) der Leistungskomponenten eines elektronischen Systems, die Randbedingungen wie die Umgebungstemperatur und der Gesamtwärmewiderstand sind entscheidende Faktoren bei der Wahl eines Gehäuses. Wird die maximale Sperrschichttemperatur von Halbleitern überschritten, führt dies zum vorzeitigen Ausfall eines Systems. Um die Elektronik vor schädigender Überhitzung zu schützen, ist ein ausreichend ausgelegtes thermisches Management erforderlich. Wärmeableitgehäuse gewährleisten durch ihre Gestaltung und das Material aus dem sie gefertigt werden eine optimale Wärmeabfuhr an die Umgebung.

Für eine optimale Wärmeabfuhr wird ein Werkstoff mit einem hohen Wärmeableitwert benötigt. Denn je höher die Wärmeableitfähigkeit, desto kleiner ist der Wärmewiderstand (K/W), der beschreibt wieviel Temperatur (Kelvin) pro Leistung (Watt) ein Bauteil bzw. Werkstoff abführen kann.

Daher wird Aluminium zur Herstellung von Wärmeableitgehäusen verwendet. Dieses robuste und stabile Material lässt sich leicht ver- und bearbeiten und verfügt über eine hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 235 W (mK).

Da Reinaluminium relativ weich ist, wird die Festigkeit und Formbarkeit durch Legierungselemente erhöht. Aluminiumlegierungen wie EN AW 6060 oder EN AW 6063 eignen sich besonders zur Herstellung von Kühlkörperprofilen durch das Strangpress-Verfahren. Beim Strangpressen wird ein Materialblock in nur einem Verfahrensschritt in eine komplexere Kontur umgeformt. Bei diesem Verfahren werden Konstruktions-, Kühlkörper- und Gehäuseprofile hergestellt, deren Kontur mit anderen Herstellungsverfahren oft nur schwer zu realisieren ist.

Bei Kühlkörperprofilen handelt es sich um Strangpressprofile, die schon beim Strangpressen mit einer Kühlrippenkontur versehen worden sind. Die Oberfläche der Profile wird durch die Kühlrippenkontur vergrößert, wodurch der Wärmewiderstand reduziert und ein besserer Energieaustausch zur Umgebung erreicht wird.

Mithilfe von Wärmeleitmaterialen werden die Leistungskomponenten und das Kühlprofil kontaktiert. Die Anbindung der Leistungskomponente an das Kühlprofil ist besonders wichtig, da bei einem schlechten Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper die Wärmeableitung reduziert wird. Wärmeleitmaterialien gewährleisten einen vollflächigen Kontakt zwischen Elektronik und Kühlkörper und füllen unerwünschte Luftpolster aus.

Es ist wichtig diese oft mikroskopisch kleinen Lufteinschlüsse zu eliminieren, da das Medium Luft einen sehr viel höheren Wärmewiderstand hat als Aluminium. Aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit optimieren Wärmeleitmaterialien den Gesamtwärmewiderstand und sorgen für eine effiziente Entwärmungsübertragung.

Die Entwärmung erfolgt über die freie Konvektion (natürliche Wärmeströmung). Diese entsteht aufgrund der Dichteunterschiede von kalter und warmer Luft. Da warme Luft eine geringere Dichte als kalte Luft hat, steigt die erwärmte Luft nach oben. Durch den nun entstandenen Druckunterschied strömt kalte Luft von unten nach, und es stellt sich eine kontinuierliche Luftbewegung ein.

Mit mehr Leistungsfähigkeit und Miniaturisierung von Halbleitern steigt auch die Wärmeverlustleistung der Bauteile pro Flächeneinheit. Effiziente Lösungen zur Entwärmung sind notwendig, um Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Komponenten abzusichern. Weitere interessante Informationen zum Thema Wärmemanagement finden Sie in diesem Artikel.

Eine optimale Entwärmung findet bei einer zur Luftströmung parallel ausgerichteten Kühlrippenkontur statt. Wird ein schnellerer Abtransport der Wärme benötigt, zum Beispiel weil die Wärme der Leistungskomponente wegen einer zu kleinen Wärmeeintragsfläche nicht schnell genug abgeführt werden kann, werden zusätzlich Lüfter zur Erhöhung der Luftstrom-Geschwindigkeit eingesetzt. Man spricht dann von einer erzwungenen Konvektion.

Für die Auswahl eines passenden Gehäuses ist neben dem benötigten Bauraum in erster Linie dessen Wärmewiderstand ausschlaggebend. Je kleiner der Wärmewiderstand eines Gehäuses ist, desto mehr Wärme kann abgeführt werden.

Anhand von Diagrammen ist der Wärmewiderstand eines Gehäuses, gemessen an der Gehäuselänge, abzulesen. Diese Diagramme ermöglichen es dem Anwender ein geeignetes Gehäuse auszuwählen (Bild 1).

Neben den thermischen Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes spielen auch Größe, Aufbauart und Gestaltung des Gehäuses eine wichtige Rolle. Es muss der integrierten Elektronik ausreichend Platz bieten, und auch über Details zur deren Befestigung bzw. Aufnahme verfügen.

Da die Anforderungen, die an Wärmeableitgehäuse gestellt werden sehr unterschiedlich sind, bietet Fischer Elektronik seine Gehäuse in verschieden Längen und Breiten sowie Ausführungen mit verschiedenen funktionellen Eigenschaften an.

Wärmeableitgehäuse bestehen aus mindestens einem außenliegenden Kühlrippenprofil, das die Ableitung der Wärme an die Umgebung gewährleistet. In Kombination mit anderen Gehäuseprofilen und/oder Blechen gestaltet dieses Kühlrippenprofil den Gehäusekörper. Den Abschluss bilden front- und rückseitige Deckelplatten.

Die Bedingungen am Einsatzort, der zu Verfügung stehende Platz, die Verlustleistung und die Wärmewiderstände sind wichtige Faktoren bei der Wahl eines geeigneten Gehäuses. Wärmeableitgehäuse eignen sich sehr gut für elektronische Geräte, die eine hohe Verlustleistung ableiten müssen. Für die richtige Wahl und Gestaltung eines Gehäuses bietet Fischer Elektronik verschiedene Gehäusetypen und eine kompetetente Beratung.

In vielen Gehäuse-Ausführungen bildet ein U-förmiges und mit Kühlrippen versehenes Strangpressprofil eine Gehäuseschale, die durch ein Deckblech, der Frontplatte und der Rückwand geschlossen wird. Enthält die Gehäuseschale keine Kühlrippen wird anstelle eines Deckbleches ein einschiebbares Kühlkörperprofil eingesetzt. Dieses Profil enthält die erforderliche Kühlrippenkontur und sorgt für die Wärmeabfuhr.

Bei anderen Varianten bilden die Kühlkörperprofile die Seitenwände des Gehäusekörpers. Auch hier werden Deckbleche sowie front- und rückseitige Deckelplatten zur Ergänzung des Gehäuses verwendet. Enthalten die Seitenwandprofile keine Kühlrippen, wird ebenfalls ein Kühlkörperprofil anstelle eines Deckbleches eingeschoben (Bild 2).

Bei der Gestaltung von Wärmeableitgehäusen werden T-Nuten, Gewindekanäle oder Führungsnuten berücksichtig. Diese funktionellen Konturen werden beim Strangpressen in die Gehäuseprofile eingebracht, wodurch sich eine nachträgliche mechanische Bearbeitung reduzieren lässt oder gar entfällt.

Die schon integrierten Führungsnuten bieten Einschubmöglichkeiten von Montageplatten sowie genormten und ungenormten Leiterplatten. Führungskanäle für die Aufnahme von Vierkantmuttern oder Gewindestreifen dienen zur Befestigung von Platinen mittels Abstandsbolzen (Bild 3). Optional sind Befestigungslaschen für eine Wand- und Deckenmontage und Klammerbefestigungen für die Montage an Tragschienen nach DIN 50022 bzw. DIN EN 60715 erhältlich.

Da die Einsatzbereiche von Gehäusen oft recht unterschiedlich sind, benötigen Anwender die angebotenen Standardgehäuse oft mit einer anwendungsspezifischen Bearbeitung. Der große Maschinenpark von Fischer Elektronik bietet Bearbeitungsmöglichkeiten von Deckelplatten, Blechen, Gehäusen- und Kühlkörperprofilen nach Anwendervorgaben. Mit Fertigungsverfahren wie Nibbeln, Fräsen oder Lasern können passende Durchbrüche eingebracht werden, wie zum Beispiel für Ein- und Ausgänge von Steckern (Bild 4).

Ob Standard- oder anwendungsspezifische Steckverbinder eingesetzt werden sollen, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die Anwendungsbereiche sind vielfältig. Was es zu beachten gilt, beschreibt dieser Beitrag. Standard oder anwendungsspezifisch - der Artikel gibt eine Antwort.

Da die Oberfläche des Aluminiums dazu neigt mit der Zeit zu korrodieren, werden Aluminiumgehäuse eloxiert. Das Eloxieren der Aluminiumoberfläche erzeugt eine künstliche, elektrisch nichtleitende Oxidschicht. Es bildet sich eine kratzfeste Oberfläche, die eine Korrosion verhindert.

Wärmeableitgehäuse werden standardmäßig in den Oberflächenausführungen naturfarben eloxiert (ME) und schwarz eloxiert (SA) angeboten. Für ein individuelles dekoratives Aussehen sind andere Farben möglich.

Je nach Einsatzort ist eine elektrisch nichtleitende Oberfläche allerdings hinderlich. Arbeitet ein elektronisches System in einem elektromagnetischen Umfeld, muss das Gehäuse verhindern, dass elektromagnetische Wellen ein- oder austreten. Dazu müssen alle Komponenten des Gehäuses miteinander elektrisch leitend verbunden sein. Dies wird mit einer elektrisch leitenden Oberflächen-Passivierung aller Komponenten erreicht.

Um die empfindliche Passivierung vor Berührung und Kratzern zu schützen, wird das Gehäuse später, zum Beispiel im zusammengebauten Zustand, lackiert oder pulverbeschichtet. Die Kontaktflächen bleiben damit elektrisch leitend.

Für eine komplett lückenlose Kontaktierung der Komponenten, sorgen elektrisch leitende EMV-Dichtungen oder Dichtschnüre (LSS10). Diese speziellen Dichtungen passen sich den Zwischenräumen an und bilden so in einem elektromechanischen System eine elektromagnetische Versiegelung. (neu)

Bettina Lochen ist als staatlich geprüfte Technikerin im Bereich Gehäuseentwicklung bei Fischer Elektronik beschäftigt.

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