Die Herausforderung

Der Wunsch nach mehr Leistung und der stetige Drang zur Miniaturisierung führen moderne Halbleiterbauelemente beispielsweise in Laser- oder Leistungselektronikapplikationen immer wieder an ihre thermischen Grenzen. Hocheffiziente Kühlungskonzepte übernehmen so neue Schlüsselfunktionen für weitere Leistungssteigerungen und Lebensdaueranforderungen.

Beispiel 1: Laserapplikationen

Die Wirkungsgrade und Ausbeuten von Laserdioden-Chips steigen kontinuierlich. Zusätzlich lassen sich durch Array-Strukturen die optischen Leistungen von mehreren Dioden zusammenführen und damit die resultierende optische Leistung nochmals deutlich erhöhen. Halbleiter-Laserdioden weisen mittlerweile Leistungsdichten von mehr als 400W/cm2 auf. Ein dauerhafter und zuverlässiger Betrieb kann nur durch eine hocheffiziente und sichere Kühlung der Chips erfolgen.

Beispiel 2: Leistungselektronik

Der generelle Anstieg der Systemleistungen führt zwangsläufig zu größeren Verlustleistungen. Beispiel Leistungsinverter: 1% Wirkungsgradverlust bedeuten bei einem 1MW-Umrichter 10kW Wärme!

Beispiel 3: Power-Train-Applikation im Auto

Die Kühlflüssigkeit im Auto erreicht Temperaturen von über 100°C – und soll trotzdem noch massiv den Wärmeabtransport der Leistungsendstufen unterstützen, um die empfindlichen Halbleiter zu schützen. Nur eine hocheffiziente Kühlung gewährleistet dabei eine lange Lebensdauer in einem möglichst kleinen Bauvolumen.

Beispiel: Power-Box-Elektronik im Auto

Simulationsergebnisse zur Junction-Temperaturverteilung der IGBT-Schalter in einer B6-Leistungsbrücke bei einer Kühlflüssigkeitseinlasstemperatur von +105°C und einer Durchfluss-rate von 5l/min: Die Swirling Jet-Streams™ – Technologie reduziert deutlich die Hot-Spots unter den Halbleitern und senkt massiv die absoluten Temperaturen. Dies bietet Raum für weitere Leistungssteigerungen oder der Verkleinerung des Bauvolumens.

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Die Technologie

Flüssigkeitskühlung deutlich leistungsfähiger als Luftkühlung
Geringste thermische und hydraulische Widerstände

I. Flüssigkeitskühler der Fa. CTS

Generell ist eine Flüssigkeitskühlung immer deutlich leistungsfähiger als eine Luftkühlung. Zum Bau von guten Flüssigkeitskühlern lassen sich im Wesentlichen 2 Größen optimieren:

  1. Vergrößerung der heißen Wechselwirkungsfläche mit der Kühlflüssigkeit,
  2. Vergrößerung des Wärme-Transfer-Koeffizienten zur besseren Einleitung der Wärme in die Kühlflüssigkeit.

Um kompakte hocheffiziente Kühler bauen zu können, optimiert CTS den Wärme-Transfer-Koeffizienten: Künstlich erzeugte Verwirbelungen an den Stellen der Hot-Spots erlauben dort einen großen Wärmeabtransport bei trotzdem geringen Kühlmitteldurchflussraten. Den lokalen Wärmequellen wird so ein spezifisches Kühlprofil gegenübergestellt und der Wärmeabtransport massiv gesteigert. Keine Standard-Kühlprofile mit großen Abmessungen und Durchflussraten – sondern spezifisch ‘designte‘ Kühlstrukturen sind der Erfolgsfaktor. Dabei bietet sich die in den Intel-Labs zur Serienreife gebrachte Swirling Jet-Streams™ – Technologie von CTS die idealen Voraussetzungen.

Prinzip der Swirling Jet-Streams™-Technologie
Prinzip der Swirling Jet-Streams™-Technologie

Ergebnis:

  • Hohe kritische Wärmeflussdichten (bis 900W/cm2)
  • Geringste thermische Widerstände (bis 0,02K/W*cm2)
  • Geringste hydraulische Widerstände (typisch 18mbar bis 500mbar, abhängig von Kühlergröße und Durchflussrate)
  • Höchste Kühlleistungen durch starke örtlich exakt platzierte Verwirbelungen
  • Geringe Durchflussmengen (typisch 3ml/s bis 20l/min, abhängig von Kühlergröße und Durchflussrate)
  • Hohe Druckfestigkeit der Kühler (typisch bis 6bar)
  • Geringer zusätzlicher Energie- und Medienbedarf
  • Beständigkeit gegenüber gängigen Kühlmedien (Wasser, DI-Wasser, Ethylen-Glykol, Propylen-Glykol, FC-40, FC-70, FC-72)
  • Weitere Skalierung auf spezifische Anforderungen möglich

 

II. Thermo-elektrische Elemente

Gruppe 1: Einstufige Hochleistungs-Peltierelemente

  • Kühlleistung bis 400W pro Element
  • Max. Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite bei 25°C: 69°C – 72°C
  • Abmessungen von 20mm x 20mm bis 62mm x 62mm
  • Sondergrößen, Anschlüsse und Metallisierungen auf Anfrage

Gruppe 2: Einstufige Miniatur-Peltierelemente

  • Kühlleistung bis 15W pro Element
  • Max. Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite bei 25°C: 69°C – 72°C
  • Abmessungen von 3mm x 3mm bis 12mm x 12mm
  • Sondergrößen, Anschlüsse und Metallisierungen auf Anfrage

Gruppe 3: Mehrstufige Peltierelemente

  • Kühlleistung bis 100W
  • Max. Temperaturdifferenz zwischen der Heiß- und Kaltseite bei 25°C:
    – 2-stufig: 84°C – 92°C
    – 3-stufig: 90°C – 110°C
    – 4-stufig: 116°C – 123°C
    – 5-stufig: 128°C – 130°C
    – 6-stufig: 135°C – 138°C
  • Sondergrößen, Anschlüsse und Metallisierungen auf Anfrage

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Spezifische Ausführungen

  • Temperatur-Zyklen-Elemente
  • Hochtemperaturmodule (für Applikationen bis 250°C der Heißseite)
  • Eckige Module mit zentralem Loch
  • Runde Ausführungen
  • Runde Ausführungen mit zentralem Loch
  • Niedertemperatur thermo-elektrische Generatoren (TEG-Elemente)

Das Angebot

Beratung bei der Auswahl vorhandener Standardkühlkomponenten
Mechanische Modifikation an vorliegende Kundenapplikation

I. Flüssigkeitskühlplatten
(Prozessor-Kühlkörper der V-Serie)

  • Mechanische Abmessungen
    Quadratisch: 25mm x 25mm bis 95mm x 95mm
    Rechteckig: 25mm x 50mm bis 68mm x 135mm
  • Materialien und Oberflächenbeschichtungen
    Kupfer, Aluminium, AlSiC mit Gold- oder Nickelbeschichtung
  • Kritische Wärmeflussdichten
    Bis 0,9kW/cm2

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Spezifische Ausführungen

  • Beratung bei der Auswahl der geeigneten Materialien (Kühler und Layerinterfaces, Korrosionsschutz)
  • Mechanische Anpassung an vorliegende Applikation
  • Projektbetreuung vor Ort
  • Thermische Simulationen und Optimierungen
  • Musterbau von kunden- und applikationsspezifischen Kühlkomponenten und Systemen
  • Serienfertigung / Vergabe von Fertigungslizenzen

II. Hochqualitative thermo-elektrische Elemente
(Peltierelemente)

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  • Mechanische Standardabmessungen der 1-stufigen Elemente:
    Von 3mm x 3mm bis 62mm x 62mm
    Kühlleistungen: 9W bis 400W
    Sondergrößen, Anschlüsse und Metallisierungen auf Anfrage
  • Mehrstufige Elemente (2-6 Stufen)
    Temperaturdifferenzen Kalt- und Heißseite bei 25°C Umgebungstemperatur:
    Von 84°C (2-stufig) bis 138°C (6-stufig)
    Kühlleistungen von 0,4W bis 100W
    Sondergrößen, Anschlüsse und Metallisierungen auf Anfrage

Spezifische Ausführungen

  • Temperatur-Zyklen-Module
  • Hochtemperaturmodule (für Applikationen bis 250°C der Heißseite)
  • Eckige Module mit zentralem Loch
  • Runde Ausführungen
  • Runde Ausführungen mit zentralem Loch
  • Niedertemperatur thermo-elektrische Generatoren (TEG-Elemente)

Der Kontakt

Die Swirling Jet-Streams™-Technologie wurde von CTS in den Intel-Labs zur Serienreife entwickelt und erprobt.

Ihr Ansprechpartner in Deutschland für Europa:

Konrad-Adenauer-Allee 11
D-44263 Dortmund
Email: info@minacon.de

Ihre Fragen und Anmerkungen sind jederzeit willkommen.

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