Amphenol FCI (AFCI) ist Entwickler und Hersteller von Steckverbinder- und Kabelbaugruppen-Lösungen für so unterschiedliche Branchen wie Telekommunikation, Datenspeicherung und Server sowie Verbraucherelektronik. In einem aktuellen Projekt stattete das Berliner Unternehmen ein Datenzentrum mit Hochgeschwindigkeitsmodulen für optische Schnittstellen mit einer Datenrate von 300 Gbit/s aus. Eine der dabei anstehenden Aufgaben war, für eine zuverlässige Entwärmung der Hochleistungs-Server zu sorgen.

Hierfür suchten die Verantwortlichen von AFCI nach einem Anbieter von Kühlkörpern und wurden bei CTX Thermal Solutions fündig. Das Unternehmen ist spezialisiert auf Kühllösungen für ein breites Anwendungsspektrum, darunter Kühllösungen für die Automobil-, Haushalts- und Unterhaltungselektronik sowie für industrielle Netzteile und Computer. Das Kühlkörper-Portfolio, das von wenigen Millimeter großen und einigen Gramm leichten Kühlelementen für SMD-Bauteile bis hin zu 200 kg schweren Flüssigkeitskühlkörpern für Wechselrichter in Eisenbahnen reicht, enthält unter anderem spezielle Stiftkühlkörper für höchste Kühlleistungen. Diese sorgen beispielsweise für die Entwärmung von LED-Applikationen oder BGA-Bauformen und entsprachen den Anforderungen von AFCI für die Ausstattung des Rechenzentrums.

Fertigung im Kaltfließpressverfahren

Die optischen Fasern der Stiftkühlkörper von CTX Thermal Solutions sind parallel zur Luftströmung angeordnet.

© CTX Thermal Solutions

Die Stiftkühlkörper werden im Kaltfließpressverfahren aus Reinaluminium (Al99,5/1070) oder Reinkupfer (CU1100/CU1020) hergestellt. Beim Fließpressen wird ein flacher Metallrohling, der in etwa das gleiche Volumen wie das fertige Produkt besitzt, bei Raumtemperatur unter hohem Druck zum Fließen gebracht. Dabei füllt das Material sukzessive alle Hohlräume des Formwerkzeugs aus. Da der spezielle Umformprozess die Bildung von Luftblasen und Lunkern sowie den Einschluss von Fremdkörpern verhindert, ist die Materialstruktur kaltfließgepresster Kühlkörper extrem homogen und dicht. Dadurch erhöht dieses Gefüge die Leitfähigkeit des fertigen Produkts im Gegensatz zum Rohmaterial. Darüber hinaus ist die Oberflächenqualität und Formgenauigkeit so hoch, dass eine mechanische Nachbehandlung nur in Ausnahmefällen notwendig ist. Aufgrund der durch das Herstellungsverfahren erzielten hohen Materialdichte erreichen diese Stiftkühlkörper deutlich bessere Wärmeleitfähigkeiten (>220 W/mk) als vergleichbare Extrusions- oder Druckgusslösungen. Ergo lassen sich kaltfließgepresste Stiftkühlkörper überall dort gut zur Entwärmung einsetzen, wo Hochleistung gefordert ist. 

Für das von AFCI ausgestattete Rechenzentrum ergaben Simulationen, dass Module, die mit den Stiftkühlkörpern von CTX bestückt sind, unabhängig von der Strömungsrichtung und ohne Anpassung des Kühlkonzepts platziert werden können. Dies ist vor allem dann hilfreich, wenn in komplexen Systemen die Bewegungsrichtung der Luft nicht eindeutig ist.

Luftbewegung in drei Richtungen

Das Verfahren des Kaltfließpressens bietet sich insbesondere für die Produktion kleiner projektspezifischer Serien an, da es eine hochpräzise Formgebung zulässt – von zylindrischen Stiften über dünne Lamellen bis zu qua­dratischen ­Stab- oder hexagonalen Säulenformen ist alles möglich. Dabei kann die Dicke der  Kühlstifte bis zu 0,7 mm betragen, bei einer Minimaldistanz zwischen den einzelnen Stiften von 1 mm. Die dünnen und dicht gesetzten Rippen vergrößern die kühlende Oberfläche wesentlich und unterstützen damit die Konvektion. Da sich die Luft in kalt ­fließgepressten ­Kühlkörpern zudem in drei Richtungen statt nur in zwei Dimensionen wie in extrudierten Kühlköpern mit langen ­Kühlrippen bewegt, ist ihre Kühlleistung höher. 

Aufgrund dieser Materialbeschaffenheit und den dadurch erzielten thermischen Eigenschaften waren die kalt fließgepressten Stiftkühlkörper von CTX interessant für die Anwendung von AFCI. So waren für das Datenzentrum-Projekt kleine Stiftkühlkörper mit dünnen und gleichzeitig besonders langen Stiften erforderlich, um in der Fläche nicht zu viel Raum zu verlieren. Im beschriebenen Fall entsprach die Fläche einem Quadrat von 18 mm x 18 mm. Um die Konvektionsfläche und damit die Kühlleistung zu erhalten, mussten viele dünne Stifte auf eine Höhe von 25 mm gepresst werden.

Autor: 
Arthur Brinkmann arbeitet im Vertrieb bei CTX Thermal Solutions in Nettetal.