Verbundguss von Aluminium und Kupfer für Anwendungen als Hochleistungskühlkörper

Aufgrund der hohen Leistungsdichte moderner Halbleiterbauteile, wie LED-Lampen oder Prozessoren, ist es notwendig die durch Verlustleistung entstehende Wärme möglichst effektiv abzuführen. Hierfür eingesetzte Kühlkörper bestehen zumeist aus einer Kombination von Kupfer- und Aluminiumwerkstoffen, um die Vorteile beider Werkstoffe, hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers und niedrigeres Gewicht sowie geringere Kosten des Aluminiums, zu vereinen. Durch das Verbundgussverfahren werden die eingesetzten Werkstoffe stoffschlüssig zu einem Bauteil verbunden und bieten so optimale Voraussetzungen für den Wärmetransport. Im Druckgussprozess wird durch die vorherige Beschichtung des Einlegeteils mit einer niedrigschmelzenden Legierung eine stoffschlüssige Verbindung erreicht, während Schwerkraftgießverfahren von einer verbesserten Benetzung durch Ultraschallunterstützung profitieren. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleiterbauelementen weist ein stark temperaturabhängiges Verhalten auf. Eine Erhöhung der Temperatur beeinträchtigt dabei auch weitere Faktoren wie Lebensdauer und Effizienz. Durch den Einsatz von Kühlkörpern wird die Betriebstemperatur der Bauelemente auf ein akzeptables Maß gesenkt. Dabei müssen Kühlkörper umso effizienter arbeiten, je größer die abzuführende Wärmestromdichte ist. In Lampen verbaute High-Power LED-Chips generieren dabei beispielsweise Wärmestromdichten zwischen 80 W/cm² und 100 W/cm² und somit das 10-fache einer Herdplatte. Daher kommt dem Thermomanagement bei der Auslegung derartiger Bauteile eine besondere Bedeutung zu.
Um die Wärme abzuführen, werden Kühlkörper aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, meist Aluminium oder Kupfer, verwendet. Einfache Kühlkörperausführungen werden durch Strangpressen von Profilen mit anschließender spanender Bearbeitung, Druckgießen oder rein spanender Fertigung hergestellt. Durch die Kombination der Werkstoffe Aluminium und Kupfer werden die jeweiligen Vorteile vereint. Dabei wird mit Hilfe einer Bodenplatte aus Kupfer, mit direktem Kontakt zum Halbleiterbauelement, die Wärme schnell abgeführt und gleichmäßig in die Lamellen des Aluminiumkühlkörpers mit großer Oberfläche eingeleitet.
…