Wie wird die Kaltspritztechnologie bei der Herstellung von Kühlkörpern eingesetzt?

Elektronische Geräte erzeugen während des Betriebs Wärme, was zu einer Verschlechterung der Leistung und Zuverlässigkeit führt. IC-Komponenten mit einem höheren thermischen Stromverbrauch sind in der Regel auf Kühlkörper angewiesen, um die Wärme zu leiten und zu verhindern, dass die Sperrschichttemperaturen den maximal zulässigen Grenzwert überschreiten. Die Installation eines Kühlkörpers auf einem Halbleiterchip auf Siliziumbasis und die anschließende Ableitung der Wärme des Chips durch Luft oder Flüssigkeit ist eine gängige Kühlmethode für elektronische Geräte. Diese Heizkörper werden in der Regel separat aus Kupfer- oder Aluminiummaterialien oder einer Kombination aus Kupfer- und Aluminiummaterialien verarbeitet.

Kupfer hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium und seine Wärmeableitungskapazität pro Volumeneinheit ist besser als die von Aluminium. Abgesehen vom Einfluss von Gewicht und Kosten ist Kupfer das bevorzugte Material für Kühlkörper. Aluminiummaterialien haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit, sodass Aluminiumheizkörper die Wärme nicht schnell genug ableiten können und eine größere Oberfläche und höhere Lamellen erfordern. In vielen kompakten Anwendungen, insbesondere in Systemen, die eine hohe Leistungsdichte anstreben, sind Aluminiumkühler nicht die beste Wahl.

Der Kühlkörper umfasst eine Basis, die mit dem Wärmequellenchip in Kontakt kommt, sowie Rippen, die über der Basis durch Herstellungsverfahren wie Stanzen, Schweißen, Extrudieren, Zahnschneiden und Spanen verbunden sind. Die Basis kontaktiert den Chip, nimmt die Wärme vom Chip auf und leitet sie an die Rippen weiter. Die Rippen versuchen, die Oberfläche so weit wie möglich zu vergrößern, die Effizienz des Luftwärmeaustauschs zu beschleunigen und letztendlich die Wärme vom Chip abzuführen. Elektronische Hochleistungsgeräte erzeugen auf Chips oft schnell Hitze. Wenn es sich bei dem Kühlkörper um eine Aluminiumbasis handelt, reicht die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit der Basis möglicherweise nicht aus, um die Wärme schnell an die Oberfläche der Rippen zu verteilen, was zu einem erhöhten Wärmewiderstand und einer unzureichenden Kühlleistung des Kühlkörpers führt.
Um das Problem der unzureichenden Wärmediffusionsgeschwindigkeit zu lösen, kann der gesamte oder ein Teilbereich des Aluminium-Kühlerbodens durch Kupfermaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit ersetzt werden. Diese Verbundkühlkörperbasis verwendet Kupfer, um die Chipwärme schnell zu leiten, während die Rippen weiterhin aus Aluminium bestehen, was sowohl eine schnelle Wärmediffusion als auch Kosteneffizienz ermöglicht.

Die Kaltspritztechnologie ist ein hochinnovatives Oberflächenbeschichtungs- und additives Fertigungsverfahren, mit dem Kupfer und Aluminium verbunden und Probleme beim Kleben, Schweißen und Löten gelöst werden können. Durch das Kaltspritzverfahren können Pulverpartikel in festem Zustand auf der Oberfläche des Substrats bei Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt des Materials abgeschieden werden, wodurch häufige Probleme vermieden werden, die durch hohe Temperaturen verursacht werden, wie z. B. Hochtemperaturoxidation, thermische Belastung und Mikro Phasenumwandlung. Kaltspritzen ist eine pulverbasierte Verarbeitungstechnologie, bei der mikrometergroße Pulverpartikel durch Überschalldruckgas in der Düse beschleunigt werden, wodurch Hochgeschwindigkeitspulverpartikel mit dem Substrat kollidieren, was zu einer plastischen Verformung und einer Bindung mit dem Substrat führt. Das CS-Verfahren hat eine kürzere Produktionszeit und ermöglicht eine flexible Auswahl großflächiger oder lokaler Abscheidungskonstruktionen.

Bekanntermaßen wird die Leistung eines Kühlkörpers üblicherweise anhand der Wärmewiderstandswerte quantifiziert. Der Wärmewiderstand ist ein Maß für die Temperatur an der Oberseite des Kühlers über der Umgebungstemperatur für jede vom Kühler abgegebene Leistungseinheit. Je niedriger der Wärmewiderstandswert, desto niedriger ist die Temperatur an der Oberseite der Lamellen in derselben Kühlumgebung und desto besser ist die Kühlleistung des Kühlers. Die Produktionskosten von Verbundheizkörpern im Kaltspritzverfahren sind etwas höher als die von Aluminiumheizkörpern, aber das Gewicht und die Kosten sind geringer als bei Kupferheizkörpern. Das Hinzufügen einer Kupferschicht zu einem Aluminiumkühler wirkt sich direkt auf die Produktionskosten aus, hat jedoch den Vorteil, dass dadurch der Wärmewiderstand des Kühlers um 48 % verringert wird.