The Reliable Source of Passive and Electromechanical

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1 The Reliable Source of Passive and Electromechanical Components An EN ISO certified company Issue # 1111

2 High Power Heat Sinks INTRODUCTION DAU was founded in 170 and is located in Ligist, Austria km south from Vienna. Currently the company s main plant site extends over sq.m of which 3500 sq.m are covered. Since its foundation DAU has been involved in the manufacture of electromechanical components, and during the last 20 years has become well known as a company specialized in solving thermal management problems, particularly for the high power electronics industry. Due to its wide range of heat dissipating products, DAU can offer a solution for nearly every thermal problem. Besides its thermal management products, DAU also offers problem-solving support services such as CFD software analyses for thermal problems. After modelling virtual prototypes and creating CAD drawings in either AutoCAD or Pro Eng., a highly specialized and automated mechanical department manufactures both the simulated prototypes as well as production parts on CNC controlled milling machines. A modern in house test department, furnished with computerized equipment provides excellent testing facilities. These include wind tunnel and liquid flow test equipment, leakage test equipment and temperature controlled chambers which are used to verify the technical specification of all products. Quality is a main priority aspect in every production step to guarantee the high standard of DAU thermal products. DAU offers a comprehensive range of thermal management products which are used to cater for virtually every thermal dissipation necessity. These include: Heat Spreaders (Stamping, Aluminum Extrusions, Die Casting) Naturally Convected Heat Sinks (Aluminum Extrusions and High Power Bonded Fin Technology) Fan Forced Heat Sinks (Bonded Fin Technology, Metal Bond Technology) Attachment Devices (Springs, Clips, Adhesives) Liquid Cooling Devices (Water Cooling, Fluid Cooling, Oil Cooling) Heatpipes and Heatpipe Assemblies (both Mesh Type Wick and Sintered Wick Heatpipes) Heatexchangers and Heatpipe Heatex changers (Liquid to Air, Liquid to Liquid) Interface Materials (bought-in product from well known suppliers) The most important Heat Sink Technologies of DAU are: 1) Advanced Air Cooling: Modern high power semiconductors must be cooled efficiently to take advantage of their high current capabilities. Conventionally air cooled extruded aluminium heat sinks have been an accepted cooling method used since the beginning of the semiconductor age. Now, with increasingly higher power densities, the thermal performance demand for effective heat dissipation exceeds the limits achievable with conventional extruded heat sinks. To meet the increased performance demand DAU has designed a new generation of power heat sinks - HIGH POWER BONDED FIN HEAT- SINKS. These heat sinks are produced by using an extruded aluminium base section into which separate fins are assembled. The joint between the extruded base section and the fin is made by using a special, high density epoxy developed by DAU together with a well-known producer of epoxy resin to guarantee optimal heat flow from the base plate to the fins. The thermal conductivity of this material is extremely high in comparison to other epoxy materials, and so enables the bonded fin heatsink to achieve a high thermal performance which exceeds all other assembly techniques. The manufacturing process DAU has developed ensures error free products due to careful control of especially selected materials, surface preparations and strictly controlled assembly procedures. The particular manufacturing methods used result in a high strength attachment of the fins to base plate to resist mechanical stresses and stresses caused by high resonant frequency vibration without failure. Usually highly conductive aluminium is used for the base plate. The fins are made of pure aluminum and therefore offer a 15% better conductivity than extruded fins. Overall performance is therefore increased and the small loss incurred through the poxy interface is more than compensated for. Bonded fin heat sinks offer great advantages especially for high power design. Normally extruded heat sinks are only available with a fin height to fin spacing ratio of max 8:1. 2

3 High Power Heat Sinks Bonded fin heat sinks can be offered with a ratio of 30:1 or higher. This higher ratio gives more exposed surface area to the cooling air. More surface area means that more heat can be transferred away from the base plate and from the heat generating components. Therefore the junction temperature can be kept lower with bonded fin heat sink than with normally extruded heat sinks. To further increase thermal cooling performance of the DAU EASY SYSTEM, DAU has developed special flow accelerators so called turbulators which increase the coolant velocity in the channels, with only minimal increase in system back pressure. DAU recommends the use of turbulators generally and especially with water - glycol mixtures. 3 2) Advanced Liquid Cooling: In addition to the leading edge bonded fin technology, the time has come to offer also dependable thermal management with liquid cooling technology. To provide the customer with the best heat dissipation DAU has already begun to develop highly advanced liquid cooling systems. This goal in mind and to give the design engineers the possibility not to be restricted in size and to overcome a large number of current liquid cooled heat sink limitations DAU has designed a variety of liquid cooled heat sinks. The first of these is the famous DAU EASY SYSTEM which has become the favourite choice with an increasing number of major manufactures of high power electronic drive systems. Users can choose from 3 standard heat sink widths, which are all available to any desired length up to a maximum of 1500 mm. A variety of parallel and series flow configurations are available to choose from to give the best flow situation to suit the customers specific request. The position of the water channels has been designed in such a way that 8% of all available power semiconductors can be accommodated. For applications requiring an open cooling system or requiring cooling coils with copper tubing DAU offers the Series KL, KLF and KLD with different tube materials to avoid corrosion. Usually in most designs the tubes are pressed into the aluminium cold plate with a special manufacturing method, which also seals out moisture and provides a uniformly consant interface for a dependable thermal performance. Latest additions to the DAU range of liquid cooling systems are the new Series UW and HP liquid cooling systems, two ultimate liquid cooling systems with very low thermal resistance performance. Series UW has micro channels positioned especially in the hot zone area which achieve the best possible heat dissipation from the power semiconductor. This micro channel is positioned especially in the hot zone area to develop a vacuum soldering process. Series HP is especially designed for disc power semiconductors like GTO s, IGBT s and IGCT s. The chill block is used in compressive clamp systems and is designed to dissipate heat losses of 1.5 KW and up. Due to its internal construction the pressure drop is very small. Furthermore a majority of cooling products involve some form of customization, this means different cooling techniques as well as production methods. Complete design analysis, modelling, prototyping, design assistance and manufacturing is provided by DAU. For custom product assistance please consult DAU Applications Engineering Department.

4 High Power Bonded Fin Heat Sinks SERIES FT BF 2 All types are available in any desired length and fin height. Faster airflow and taller fin height improve the thermal values. On request parts can be supplied with surface finish. Customer specific designs are welcome. Please send us your requirements. Sämtliche Ausführungen sind in jeder gewünschten Kühlkörperlänge und Finnenhöhe lieferbar. Höhere Luftgeschwindigkeit bzw. Finnen verbessern die thermischen Werte. Auf Wunsch können die Teile auch mit Oberflächenvergütung geliefert werden. Kundenspezifische Ausführungen und Formen sind möglich. Bitte senden Sie uns Ihre Anforderungen. Standard type Details for Rth definition D Flange type add F to type BP Breite BP Dicke An. Finnen Finnendicke Länge Höhe Rth 0% (K/W) Rth 0% (K/W) Type B D N FT L H mm mm mm mm mm mm 1 m/s 3 m/s 5 m/s 1 m/s 3 m/s 5 m/s Details zur Rth Definition Rth 0% means that heat source size is 0% of heat sink base plate surface. Rth 0% bedeutet, dass die Größe der Wärmequelle 0% der Grundfläche der Basisplatte beträgt. Rth 0% means that heat source is he same size as the heat sink base plate surface. Rth 0% bedeutet, dass die Größe der Wärmequelle 0% der Grundfläche der Basisplatte beträgt. 4

5 High Power Bonded Fin Heat Sinks SERIES BF Rth Curves 0%-0% / Rth Kurven 0%-0% 5

6 Innovative High Power Bonded Fin Heat Sinks SERIES SERIES IHM/IHV FT 2 This new design offers many benefits over conventional heatsinks with standard flat baseplate. The series IHM/ IHV has been developed especially for IGBT with outside dimensions of 130 x 140 mm and 10 x 140 mm. 1. Because of the tight fin spacing, the highest possible heat transfer per unit volume is achieved. 2.Due to the special shape of the baseplate, a 20 to 25% higher heat dissipation is achieved as compared to conventional baseplate designs. 3.Typical properties of these heatsinks are: small temperature gradient high latent heat capacity high heat time constant The thermal resistance depends on the length and air flow volume (m3/s). Any desired length can be supplied. On request the IHM/IHV heat sinks can be supplied with fan. Type X mm L mm H mm Typ R th per Modul Dieses neue Design bietet viele Vorteile gegenüber den üblichen Kühlkörpern mit flacher Basisplatte. Die Serie IHM/IHV wurde deshalb speziell für IGBT mit den Abmessungen 130 x 140 mm und 10 x 140 mm entwickelt. 1. Durch den geringen Finnenabstand wird der größtmögliche Wärmetransfer pro Volumeneinheit erzielt. 2. Durch die spezielle Form der Basisplatte werden um 20-25% bessere Wärmeabfuhrwerte gegenüber konventionellen Basisplattenformen erreicht. 3. Typische Merkmale dieser Serie sind: geringer Temperaturgradient große Wärmekapazität große Wärmezeitkonstante IHM IHV min max Stand K/kW Der thermische Widerstand ist abhängig von der Länge und vom Volumenstrom der Kühlerluft. Es kann jede beliebige Länge hergestellt werden. Auf Wunsch kann der IHM/IHV Kühler auch mit Lüfter geliefert werden.

7 Innovative High Power Bonded Fin Heat Sinks THERMAL PERFORMANCE IHM/IHV The curve on the right shows the thermal resistance of the heat sink as a function of the heat sink length x volume flow rate. To calculate for example the necessary volume flow rate for a given heat sink proceed as follows: Number of IGBT modules: 3 Power rating per module: 00 W Total length of heat sink: 1 m Max. temperature rise: 40 K Total volume flowrate =? Die nebenstehende Kurve zeigt den Wärmewiderstand in Abhängigkeit der Kühlkörperlänge x Volumenstrom. Um den notwendigen Volumenstrom für einen gegebenen Kühlkörper zu berechnen, verfahren Sie nach folgendem Beispiel: Anzahl IGBT Module: 3 Verlustleistung pro Modul: 00 W Komplette Kühlerlänge: 1 m Max.Temperaturerhöhung: 40 K Volumenstrom Gesamtkühlk.=? Calculation example for IHM R th Modul R th per module to LV for IHV/IHM Heat Sink 330 mm/20 mm wide ,00 0,05 0, 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 ] LV [m 4 /s] (=Length x Volume flow) Berechnungsbeispiel für IHM = T = 40 P Modul 00 [ K = 40 K/KW get from curve factor LV for this R th W [ ] [ ] IHV LV = m 4 L V GK = v x (Nr. of Mod. ) 2 m 4. = x = m 3 /s s total length s 1 =========== m IHM 7

8 High Power Soldered Fin Heat Sinks SERIES FT SF 2 Width B Baseplate D1 Thickness D2 Fin Thickness FT Height H Length L min , max , DAU SF heat sinks now offer the design engineer the ability to dissipate extremely high power on small volume heat sinks. The unique solder technique creates an excellent interface between the copper baseplate and the tin plated copper fins which has no measureable thermal resistance. DAU Soldered Fin Kühlkörper eröffnen dem Anwender komplett neue Möglichkeiten bei der Entwärmung von Bauelementen mit hoher Verlustleistung. Durch die speziell entwickelte Löttechnik können die Kupfer Basisplatte und Kupferfinnen ohne Wärmeverlust miteinander verbunden werden. Due to the thermal conductivity of copper being practically 2 times better than aluminum the fin efficiencies of the SF heat sinks are much higher than other types. Basically, all requested fin heights are available, butincreasing the heights of the fins without a reasonable T to the ambient temperature serves no useful purpose. Therefore Series SF allows smaller heatsinks or higher power losses with the same size. Durch die 2 mal höhere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers gegenüber dem Aluminium ist die Finneneffektivität der SF Serie wesentlich besser als bei herkömmlichen Kühlkörpern. Grundsätzlich kann jede gewünschte Finnenhöhe gefertigt werden. Auf Grund des geringeren Finnenwirkungsgrades haben sich jedoch höhere Finnen als nicht sinnvoll erwiesen. Deshalb können entweder kleinere Kühlkörper oder höhere Verlustleistungen bei gleichem Raum realisiert werden. 8

9 High Power Soldered Fin Heat Sinks SERIES SF The SF heat sinks are designed for forced air convection. The thermal resistance depends mainly on the air velocity (airspeed) between the fins. Experience has shown that for good heat dissipation an air speed of 3 m/sec. or higher is necessary. Please contact us for details about pressure drop or fan selection. Die Serie SF wurde speziell für forcierte Kühlung entwickelt. Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers hängt vor allem von der Luftgeschwindigkeit zwischen den Finnen ab. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Luftgeschwindigkeit mindestens 3 m/sek. betragen sollte. Für Fragen zur Lüfterwahl bzw. bezüglich des Druckabfalles stehen unsere Anwendungstechniker gerne jederzeit zur Verfügung. Below is a comparison that shows the difference between an Aluminium and Copper heat sink with the same dimensions. Nachfolgender Vergleich zeigt den Unterschied zwischen Kupfer und Aluminium bei gleichen Abmessungen. Comparison of Thermal Performance Thermischer Vergleich For protection against corrosion, Series SF can be nickel plated. Um Korrosionsproblemen vorzubeugen, kann die Serie SF auch mit Nickelbeschichtung geliefert werden. We also offer computer simulations of the heat sink at the design stage.

10 High Power Pressed Fin Heat Sinks SERIES SERIES PRE/PRD FT 2 PRD PRE Type Type Width B Length L max. Height Heigth H Base D1 Base D2 Nr. of in mm in mm in mm in mm in mm Fins PRE 23-XXX-01 23, PRE 23-XXX-03 23, PRD 23-XXX-02 23, PRD 23-XXX-04 23, PRD 23-XXX-05 23, PRE 470-XXX PRE 470-XXX PRD 470-XXX PRD 470-XXX PRD 470-XXX Other dimensions on request Andere Abmessungen auf Anfrage Technical Aspects In addition to the Bonded Fin Series BF DAU has developed a new heat sink concept Series PRE/PRD which is build equivalent to BF Series from two major components the base section and the fin section. For Series PRE/PRD the fins will be assembled to the base plate by a special developed and patent pending cold welding process instead of using thermal conductive glue. This assembling process ensures lowest thermal resistance between the base plate and the fins and allows therefore a nearly perfect heat transfer from the base plate to the fins. Technische Erläuterung In Ergänzung zur bestehenden Bonded Fin Serie BF hat die Firma DAU ein komplett neues Fertigungskonzept für ihre Serie PRE/PRD entwickelt. Diese Serie besteht, wie die Serie BF, aus zwei Hauptkomponenten, der Basisund der Finnensektion. Bei der Serie PRE/PRD werden die Finnen gegenüber der Serie BF nicht mit einem hochthermischen Kleber, sondern mittels eines in Patentierung befindlichen Kaltschweißprozesses mit der Basisplatte verbunden. Dieser neuartige Verbindungsprozess reduziert den thermischen Übergangswiderstand auf ein Minimum und erlaubt deshalb einen optimalen Wärmefluss von der Basisplatte zu den Finnen.

11 High Power Pressed Fin Heat Sinks SERIES PRE/PRD Thermal performance for PRE Curve for Modul Size 12 x pressure drop [Pa] Air flow [m³/h] Curve for Modul Size 140 x pressure drop [Pa] Air flow [m³/h] Curve for Modul Size 120 x Thermal performance for PRE Thermal Resistance (R th ): Thermische Werte (R th ): Based on semiconductor Abhängig von der Halbleitermodulgröße und vom Volumen- module size and airflow, values down to 0.022K/W per module strom Werte bis 0,022K/W bezogen auf ein Modul (gemessen di- (measured directly under the module) are possible. rekt unter dem Modul)möglich. Curves are for PRE Messwerte für einen Kühler PREwith lenghts of 230 mm mit Länge 230 mm Air flow [m³/h] pressure drop [Pa] 11

12 Medium Power High Fin Density Extrusions SERIES FT 1 B B D D H H Durch spezielle Presstechnik ist es nun möglich Profile mit extrem hoher Finnendichte und gleichzeitiger Oberflächenvergrößerung durch zusätzliche Verrippung der Finne herzustellen. Durch modulare Bauweise mittels Reibrührschweißen können Vielfachbreiten bis zu 00 mm kostengünstig hergestellt werden. Due to a special extrusion technique in our manufacturing process, it is now possible to produce high fin density extrusions with fin serrations to increase fin surface area. Additionally, we can increase the heatsink width up to 00 mm by friction stir welding with minimal cost due to the modular design of this series. Type Width B [mm]* 15, Basepl. 1) thickness D [mm] Fin Height H [mm] Number of fins Fin Spacing [mm],78,78,78,78,78 1) Angegebene Basisplattendicke ist Rohmaß nach Bearbeitung reduziert sich diese noch um 0,5 bis 1,0 mm 1) Indicated base plate thickness D is a base dimension after machining this is reduced by 0,5 to 1 mm *Other dimensions on request Andere Abmessungen auf Anfrage. Thermal Performance for FT1 with width of 220 mm and length of 200 mm and module size of 10 x 140 mm (1 module) pressure drop [Pa] flow rate [m³/h] pressure drop Rth D=50mm 12

13 Medium Power High Fin Density Extrusions SERIES FT 2 B B D D H H Durch spezielle Presstechnik ist es nun möglich Profile mit extrem hoher Finnendichte und gleichzeitiger Oberflächenvergrößerung durch zusätzliche Verrippung der Finne herzustellen. Durch modulare Bauweise mittels Reibrührschweißen können Vielfachbreiten bis zu 35 mm kostengünstig hergestellt werden. Due to a special extrusion technique in our manufacturing process, it is now possible to produce high fin density extrusions with fin serrations to increase fin surface area. Additionally, we can increase the heatsink width up to 35 mm by friction stir welding with minimal cost due to the modular design of this series. Type Width B [mm]* Basepl. 1) thickness D [mm] Fin Height H [mm] Number of fins Fin Spacing [mm] 8,0 8,0 8,0 8,0 8,0 1) Angegebene Basisplattendicke ist Rohmaß nach Bearbeitung reduziert sich diese noch um 0,5 bis 1,0 mm 1) Indicated base plate thickness D is a base dimension after machining this is reduced by 0,5 to 1 mm *Other dimensions on request Andere Abmessungen auf Anfrage. Thermal Performance for FT2 with width of 230 mm and length of 30 mm and module size of 10 x 140 mm (2 modules) pressure drop [Pa] air flow rate [m³/h] Rth_1 Rth-2 pressure drop E-FO

14 High Power Pressed Fin Heat Sinks SERIES PRE 72 FS Technische Grundlagen In Ergänzung zur bestehenden Bonded Fin Serie BF hat DAU ein komplett neues patentiertes Fertigungskonzept entwickelt. Zu diesem Zweck werden die Finnen mittels eines speziellen Kaltschweißprozesses mit der Basisplatte verbunden. Technical Aspects In addition to the Bonded Fin Series BF, DAU has developed a complete new patent pending manufacturing process for heat sinks. In this technique, the fins will be assembled by a special cold welding process to the base plate. Type Width B [mm]* Basepl. 1) thickness D [mm] Fin Height H [mm] Number of fins Fin Spacing FS [mm] 1) Angegebene Basisplattendicke ist Rohmaß nach Bearbeitung reduziert sich diese noch um 0,5 bis 1,0 mm 1) Indicated base plate thickness D is a base dimension after machining this is reduced by 0,5 to 1 mm *Other dimensions on request Andere Abmessungen auf Anfrage. Thermal Performance for PRE-245 with length of 200 mm and module size of 140 x 130 mm ,0 400,0 300,0 200,0 pressure drop [Pa] 40 0,0 30 0, Air flow rate [m³/h] Rth Dp 14

15 Medium Power High Density Extruded Heat Sinks SERIES HK Die Serie HK ersetzt Kühlkörper, die bisher nur mit verpressten Rippen herstellbar waren. Vorteil dieser neuen Technik ist neben der Kostenersparnis auch die bessere mechanische Festigkeit (Rüttelfestigkeit) dieser Kühlkörper. Durch Verschweißen einzelner Grundelemente ist es möglich, Kühlkörper bis 1200 mm Breite herzustellen. Als Schweißverfahren kann sowohl MIG Schweißen, als auch das zusatzfreie Reibrührschweißen zur Anwendung kommen. The new Series HK replaces Heat Sinks that up till now could only be produced by pressing technology. Advantages are cost reduction and much higher mechanical strength (vibration resistance) than pressing technology. Technical data for Natural Convection Technische Daten Natürliche Konvektion Type B A Lenghts / Länge (mm) Type Rth (K/W) per Lenghts length Rth Länge (K/W) (mm) pro Länge (mm) mm mm mm Amount mm/ Anzahl HK ,37 0,24 0,1 0,1 HK ,37 0,24 0,1 0,1 HK ,30 0,1 0,15 0,13 HK-300 HK ,30 0,1 0,15 0,13 HK ,24 0,15 0,12 0,11 HK-400 HK ,24 0,15 0,12 0,11 HK ,20 0,12 0,0 0,084 HK-500 HK ,20 0,12 0,0 0,084 HK ,1 0, 0,078 0,08 HK-00 HK ,1 0, 0,078 0,08 HK ,13 0,08 0,01 0,054 HK-700 HK ,13 0,08 0,01 0,054 Technical data for Forced Convection 5m/sec Technische Daten forcierte Belüftung 5m/sek Type B A Rth Type (K/W) per Lenghts Lenghts length / Rth Länge Länge (K/W) (mm) (mm) pro Länge (mm) mm Amount mm/ Anzahl mm mm HK ,1 0,0 0,04 0,041 HK ,1 0,0 0,04 0,041 HK-300 HK ,082 0,04 0,034 0,02 HK ,082 0,04 0,034 0,02 HK-400 HK ,03 0,03 0,025 0,022 HK ,03 0,03 0,025 0,022 HK-500 HK ,051 0,028 0,01 0,017 HK ,051 0,028 0,01 0,017 HK-00 HK ,042 0,022 0,01 0,014 HK ,042 0,022 0,01 0,014 HK-700 HK ,034 0,018 0,013 0,011 HK ,034 0,018 0,013 0,011 By welding of several base units it is possible to produce heat sinks up to 1200 mm in width. Schweissverbindung Welding Zone Schweissverbindung Welding Zone 15

16 High Power Air Cooling Heat Sinks HOCKEY PUCK COOLER SKL The Series SKL is designed specifically for air cooling applications of stacked or individual high power discshaped semiconductors. The thick, columnar fins permit high clamping forces necessary in stacked applications, and the serrated fin features enhance the surface area for optimal cooling performance. Additionally, the fins are attached to the baseplate with a patent pending cold weld process that ensures the lowest thermal interface resistance. Die Serie SKL wurde speziell für die Luftkühlung von Scheibenzellen-Halbleitern entwickelt. Die säulenartig gestalteten Finnen garantieren Stabilität auch bei hoher Spannkraft. Durch die geriffelte Form der Finnen wird eine optimale Kühlung auf kleinstem Raum erreicht. Mittels im Patentstadium befindlicher Presstechnik werden die Finnen mit der Basisplatte optimal und ohne thermischen Übergang verbunden. Dimensions Type SKL 4 B 45 SKL 11 B 45 SKL 152 B 75 SKL 152 B 5 A H B max mm mm mm Surface Finish / Oberflächenbehandlung: D mm,5,5,5,5 Abmessungen Max Clamp Pressure (KN) B = Blank / Blank A = Anodized / Eloxiert N = Nickel Plated / Vernickelt C = Alodine / Chromatiert 1

17 SKL Load on one side / einseitig High Power Air Cooling Heat Sinks HOCKEY PUCK COOLER SKL THERMAL INFORMATION SKL Load on one side / einseitig Dp [Pa] Dp [Pa] V [m³/h] Dp Rth disk 45 mm V [m³/h] Dp Rth disk 75mm SKL Load on one side / einseitig SKL Load on both side / zweiseitig Dp [Pa] Dp [Pa] flow rate [m³/h] Rth D= 78mm Dp flow rate [m³/h] Rth D= Dp 78mm SKL Load on one side / einseitig SKL Load on both side / zweiseitig Rth [k/w] Pressure drop [Pa] Rth[K/kW] Pressure Drop [Pa] Air flow rate [m³/h] Pressure drop Rth D=78mm Rth D=0mm Air flow rate [m³/h] pressure drop Rth D=0mm Rth D=78mm 17

18 High Power Air Cooling Heat Sink HOCKEY PUCK COOLER SKL-SF Special Heat Sink for efficient air cooling of Press Pack Disc Semiconductor like Diode, Thyristor, GTO and IGCT Modules. Material is copper with nickel coating. Other types and dimensions on request. Kühlkörper entwickelt für die effiziente Kühlung von Dioden, Thyristor, GTO und IGCT Modulen in Scheibenzellenausführung (so genannte Press Pack Module). Die Kühlung erfolgt im Stack durch forcierte Belüftung. Material ist Kupfer vernickelt. Andere Ausführungen und Abmessungen auf Anfrage lieferbar. Dimensions Abmessungen Type L Fins SKL-SF T1 13,5 3 SKL-SF T2 27 SKL-SF T3 40,5 SKL-SF T SKL-SF T pressure drop [Pa] flow rate [m³/h] Rth pressure drop 18

19 Profiles SERIES DAU has established a comprehensive selection of extruded heat sink profiles with well-known extrusion manufacturing companies. Page 1 and 20 show only part of the existing range of DAU profiles. Please send a drawing of your profile request and DAU will inform you immediately if the profile is established or not. If no tool is available DAU will offer production of the tool at a reasonable price. Please note: DAU does not stock extrusion profiles due to the extensive range of profile requirements produced. Profiles production is always upon customer request within appropriate delivery time. All profiles are machined on modern CNC machines according to your specific drawing. 1

20 Profiles SERIES DAU hat bei namhaften Profilherstellern eine Vielzahl an Profilwerkzeugen eingerichtet. Seite 1 und 20 zeigen nur einen Teil der verfügbaren Profilausführungen, die ohne Werkzeugkosten geliefert werden können. Übermitteln Sie deshalb Ihre Profilzeichnung und DAU prüft umgehend, ob das von Ihnen benötigte Profil bereits eingerichtet ist. Sollte kein Werkzeug vorhanden sein, so wird Ihnen ein kostengünstiges Angebot für eine Werkzeugfertigung erstellt. DAU übernimmt auch die Entwicklung Ihrer kundenspezifischen Profilausrüstung. Bitte beachten Sie, dass DAU durch die unterschiedlichen Bearbeitungsausführungen üblicherweise keine Profile ab Lager liefert sie werden immer auftragsbezogen gefertigt. Durch spezielle Vereinbarungen mit den Profilherstellern ist jedoch trotzdem eine kurze Lieferzeit gesichert. Die Bearbeitung der beauftragten Profile erfolgt bei DAU auf modernen CNC Bearbeitungszentren nach Ihrer Zeichnung. 20

21 Easy System for Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SYSTEM Patent pending DAU has developed a system of liquid cold plates for high power applications. Due to a simple assembly method, a number of different heat sink types can be manufactured. The EASY SYSTEM has been designed especially for IGBT Units. The desired length and number of mounted IGBT units is customer specific. The position of the waterchannels have been designed so that 8% of all available semiconductors can be mounted as well. The following pages show various possible combinations. DAU hat für Hochleistungsanwendungen ein spezielles System an Flüssigkeitskühlern entwickelt. Durch die einfache Kombinationsmöglichkeit der einzelnen Komponenten kann eine Vielzahl an verschiedenen Flüssigkeitskühlern hergestellt werden. Das EASY SYSTEM wurde speziell für Anwendungen mit IGBT-Einheiten entwickelt. Die Positionen der Wasserkanäle wurden aber so angelegt, dass 8% aller derzeit verfügbaren Leistungshalbleiter montiert werden können. Die Anzahl der montierbaren Halbleitereinheiten ergibt sich aus der gewählten Kühlerlänge und der Durchflussmenge. Die nachfolgenden Seiten zeigen die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten. 21

22 Easy System for Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SYSTEM Type-Overview Style 1 Style 2 Style 3 Style 4 Style 5 Style 5.1 Style Style.1 Style 7 22

23 Easy System Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SERIES SYSTEM FT 2 Mechanical Dimensions Profile Abmessungen Endpieces Series KW 140 Series KW 188 Series KW 200 Series KW Dimensions of Profile Rohmaß vom Profil

24 Easy System for Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SYSTEM KW 140 Example KW 140 Style 4 The shown R th and pressure drop values are correlated to a length of 450 mm. Temperatures are measured directly under the 130 x 140 mm IGBT module with a power dissipation of 00 Watt and water inlet temperature of 40 C. Beispiel KW 140 Style 4 Die R th und Druckabfallwerte basieren auf einer Länge von 450 mm. Temperaturen werden direkt unter dem 130 x 140 mm IGBT Modul mit einer Verlustleistung von 00 Watt bei einer Wassertemperatur von 40 C gemessen. THERMAL INFORMATION 20 3,0 18 2, ,0 12 1,5 8 1,0 4 0, , water flow [l/min] pressure drop with Turbo pressure drop without Turbo Rth with Turbo Rth without Turbo p [bar] Example KW 140 Style 5 The shown R th and pressure drop values are correlated to a length of 450 mm. Temperatures are measured directly under the 130 x 140 mm IGBT module with a power dissipation of 00 Watt and water inlet temperature of 40 C. Beispiel KW 140 Style 5 Die R th und Druckabfallwerte basieren auf einer Länge von 450 mm. Temperaturen werden direkt unter dem 130 x 140 mm IGBT Modul mit einer Verlustleistung von 00 Watt bei einer Wassertemperatur von 40 C gemessen. 35 1,2 30 1,0 25 0,8 20 0, 15 0,4 0, , water flow [l/min] pressure drop- without Turbo pressure drop- with Turbo Rth-without Turbo Rth-with Turbo pressure drop [bar] 24

25 Easy System for Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SYSTEM KW 188 THERMAL INFORMATION 12 0,8 11 0,7 0, 0,5 Example KW 188 Style 5 The shown R th and pressure drop values are correlated to a length of 220 mm. Temperatures are measured directly under the 10 x 140 mm IGBT module with a power dissipation of 150 Watt and water inlet temperature of 40 C. 8 0,4 7 0,3 0,2 5 0,1 4 0, waterflow [l/min] pressure drop_with Turbos Rth_with Turbos pressure [bar] Beispiel KW 188 Style 5 Die R th und Druckabfallwerte basieren auf einer Länge von 220 mm. Temperaturen werden direkt unter dem 10 x 140 mm IGBT Modul mit einer Verlustleistung von 150 Watt bei einer Wassertemperatur von 40 C gemessen pressure drop [psi] pressure drop_with Turbos water flow [GPM] Rth_with Turbos 25

26 Easy System for Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SYSTEM KW 200 Example KW 200 Style 4 The shown R th and pressure drop values are correlated to a length of 400 mm. Temperatures are measured directly under the 140 x 10 mm IGBT module with a power dissipation of 00 Watt and water inlet temperature of 40 C. Beispiel KW 200 Style 4 Die R th und Druckabfallwerte basieren auf einer Länge von 400 mm. Temperaturen werden direkt unter dem 140 x 10 mm IGBT Modul mit einer Verlustleistung von 00 Watt bei einer Wassertemperatur von 40 C gemessen. THERMAL INFORMATION 25 1, , , , , , ,5 0, ,3 5 0, , , water flow rate[l/min] pressure drop-without Turbo pressure drop-with Turbo Rth-without Turbo Rth-with Turbo pressure drop [bar] Example KW 200 Style.1 The shown R th and pressure drop values are correlated to a length of 400 mm. Temperatures are measured directly under the 140 x 10 mm IGBT module with a power dissipation of 00 Watt and water inlet temperature of 40 C. Beispiel KW 200 Style.1 Die R th und Druckabfallwerte basieren auf einer Länge von 400 mm. Temperaturen werden direkt unter dem 140 x 10 mm IGBT Modul mit einer Verlustleistung von 00 Watt bei einer Wassertemperatur von 40 C gemessen. 31 0, , , , , , , , water flow rate [l/min] Rth with Turbos Rth without Turbos pressure drop with Turbos pressure drop without Turbos pressure drop [bar] 2

27 Easy System for Water Cooled Heat Sinks DAU EASY SYSTEM KW 215 THERMAL INFORMATION 0, 0,5 Example KW 215 Style 5 The shown R th and pressure drop values are correlated to a heat sink length of 340 mm. Temperatures are measured directly under the IGBT module with 3 chip plates 141 mm x 53 mm with a power of 3000 Watt and water inlet temperature of 40 C. 8 0,4 7 0,3 0,2 5 0, water flow rate [l/min] Rth_with Turbos pressure drop_with Turbos pressure drop [bar] Beispiel KW 215 Style 5 Die R th und Druckabfallwerte basieren auf einer Kühlerlänge von 340 mm. Temperaturen werden direkt unter dem IGBT Modul mit je 3 Chipplatten 141 x 53 mm und einer Verlustleistung von 3000 Watt gesamt bei einer Wassertemperatur von 40 C gemessen. 8 7,0,0 8,0 7,0,0 5,0 4,0 pressure drop [psi] 3,0 2,0 5 1, water flow rate [GPM] Rth_with Turbos pressure drop_with Turbos 27

28 Innovative Joining Technology for Aluminum VACUUM Brazed COLDPLATES VBA Vakuum Löten ist ein vielseitig einsetzbares Fügeverfahren welches die Entwicklung und Fertigung von hochwertigen Kühlplatten ermöglicht. Die Lage sowie die Größe und Länge der Kühlkanäle kann bei der Fräsbearbeitung exakt an die Position mit der höchsten Wärmebelastung und an die vorberechneten bzw. vorgegebenen Werte wie Reynoldszahl, Druckabfall und Volumenstrom angepasst werden. Montagelöcher können dabei leicht und ohne Einfluss auf die thermische Performance umgangen werden und bilden beim Vakuum löten kein Hindernis mehr. Die Basisplatte mit der gefrästen Kühlkanalstruktur muss anschließend mit einer Deckplatte abgedichtet werden. Vacuum brazing is a manufacturing process that offers exceptional design versatility by which to fabricate cold plates with superior, optimized cooling performance. Channel configurations can be precisely milled into either aluminum or copper plates with strategic positioning in the most demanding heat transfer zones. The size of the channels can also be designed such that the Reynolds number is optimized to provide the best thermal performance for the required flow rate and pressure drop constraints. As well, obstacles such as component mounting holes can easily be designed around without having to sacrifice any cooling performance. The base plate with the machined channel configuration is then covered with a plated cover plate. Diese Deckplatte ist auf einer Seite mit einer dünnen Lage Aluminiumlegierung plattiert, die einen etwas niedrigeren Schmelzpunkt hat als das Basismaterial. Mit der plattierten Seite innen zur Basisplatte zeigend wird der zusammengebaute Sandwich auf die Schmelztemperatur der plattierten Aluminiumlegierung im Vakuum erwärmt. Der Schmelzpunkt der Plattierung liegt je nach verwendetem Material bei 580 bis 00 C. Beim Erreichen der Schmelztemperatur geht diese Legierung mit der Basisplatte durch Benetzung eine homogene Verbindung. Das Grundmaterial wird bei diesem Vorgang jedoch nicht aufgeschmolzen. Die dabei entstandene Verbindung zwischen der Basis- und Deckplatte ist hochstabil, reißfest und extrem belastbar. The plating is applied on the one side with a thin layer of aluminum alloy (in the case of aluminum brazing) that has a slightly lower melting point than the aluminum cover and base plates. With the plated side sandwiched between the cover and base plates, the assembly is then heated in a vacuum brazing furnace at a temperature in the range of 580 to 00 C which melts the thin layer of aluminum alloy and generates a brazed joint between the cover and base plates. This type of braze bond then produces an extremely reliable and secure joint between the cover and base plates. 28

29 Innovative Joining Technology for Aluminum VACUUM Brazed COLDPLATES VBA Fully automated vacuum braze furnaces built to DAU s specifications braze cooling plate assemblies to pressure tight, stress and vibration resistant coldplates with maximum durability and reliability. In-house designs accompanied by complete machining and testing facilities permit a wide variety of cooling plate solutions to meet our customer s specific needs. The vacuum brazing process ensures trouble free operation even under very challenging operating conditions. With our combination of experience, knowledge and commitment, our team of engineers will design the cooling plate solution to meet your specific performance, space and cost requirements. Mit dem speziell für DAU entwickelten computergesteuerten Vakuum- Löt-Öfen werden die vormontierten Einzelteile zu kompletten Kühlplatten im Vakuum verlötet. Diese Elemente sind Leckage dicht, widerstandsfähig gegen Schwingungen, Spannungs- und Druckbelastung und garantieren damit ein Maximum an Zuverlässigkeit für unsere Kunden. Berechnung, Konstruktion, Bearbeitung und Prüfung aller Teile werden im Werk durchgeführt. Damit wird sichergestellt, dass alle Kundenanforderungen wie die thermischen Anforderungen, Abmessungen und minimale Kosten erfüllt werden. Thermal Resistance Curve VBA Rth (module size PrimePACK3 ) Vorteile von Vakuum gelöteten Kühlplatten Optimale Gestaltung des Kühlkreislaufes angepasst an die Geometrie der Halbleiter Extrem niedrige thermische Werte realisierbar Leckfreie, hochfeste und hoch belastbare Verbindung mit Berstdruck über 80 bar Keine Änderung des Materialgefüges Absolut saubere Teile ohne jegliche Flussmittelrückstände Hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer Geringer Verzug aufgrund gleichmäßiger Erwärmung und Abkühlung beim Löt-Prozess Advantages of vacuum brazed coldplates Optimum design of the cooling path based on the layout of the semiconductors Lowest possible thermal resistances Leak free, high strength and high mechanical load carrying capacity with burst pressures up to 1150 psi No structural changes in the material Clean parts without residual flux High reliability, durability and life cycle Low distortion due to uniform heating and cooling during brazing process 2

30 Innovative Joining Technology for Heat Sinks FRICTION STIR WELDING Neben anderen Fügetechniken bietet DAU als Hersteller für Hochleistungskühlkörper auch das Friction Stir Welding (FSW) zur kostengünstigen Herstellung von großen Kühlkörpern an. Das FSW oder Reibrührschweißen benützt die Reibung eines speziell geformten rotierenden Stiftes um Aluminiumwerkstücke miteinander zu verbinden. Das rotierende Werkzeug erwärmt dabei das Material und bringt es in einen teigigen Zustand. Gleichzeitig wird das Werkzeug entlang der Fügelinie bewegt. Das teigige Material der beiden Werkstücke wird dabei miteinander verrührt und es entsteht nach dem Abkühlen eine homogene Verbindung zwischen den beiden Fügeteilen ohne zusätzlichen Schweißzusatz oder einer speziellen Nahtvorbereitung. As a manufacturer of High Power Heat Sinks, DAU offers common welding techniques as well as advanced joining techniques such as Friction Stir Welding (FSW) for economic and robust production of large heat sink units. FSW involves the use of special shaped rotating tools to join two pieces of plate material together. As the tool travels along the joint seam, intense frictional heat is generated due to the wear resistance between the welding tool and the working materials. This heat causes the materials to soften (plasticize) without reaching their melting point. In this manner, the plasticized materials of the two joining parts are stirred together and form a solid robust bond after cooling, eliminating the need for any type of additional bonding agent or material. Vorteile Fügen gleicher oder unterschiedlicher Aluminiumwerkstoffe ohne Zugabe von zusätzlichen Schweißzusätzen wie beim MIG Schweißen Keine Änderung des Materialgefüges Geringer Verzug aufgrund niedriger Schweißtemperaturen Porenfreie Verbindungen Reproduzierbares Verfahren durch kontrollierte Maschinenparameter Homogene und Leck freie Verbindung auch für Wasserkühler zur Abdichtung einsetzbar Kostengünstige Herstellung großer Kühlkörperbreiten durch aneinanderschweißen kleinerer Profilabschnitte Hohe Festigkeit der Schweißverbindung im Vergleich zum MIG Schweißen Keine Reduktion der Leitfähigkeit im Bereich der Schweißnaht Benefits Welding of same or different aluminum alloys without using filler materials (as typically necessary for MIG welding), and also no gas shielding necessary No structural change in the materials Less weld distortion and shrinkage due to the lower welding temperatures Non-porous joint/bond-line Reliable and repeatable process due to controlled machine parameters Homogenous and leak free weld joints therefore FSW is ideal joining method for use in production of liquid cooled units Economic method for producing very large width heat sinks - by welding smaller low cost heat sink pieces together Superior weld joint strength in comparison to MIG welded joints No thermal performance penalty across the welded joint 30

31 Innovative Joining Technology for Heat Sinks FRICTION STIR WELDING FSW was invented and patented by The Welding Institute (TWI) in Cambridge UK. DAU Austria is a registered Industrial Member company of the TWI. Dau is able to weld aluminum materials up to 30mm in thickness. The advantages of FSW include the ability to produce long lengths without any melting of the base material. This eliminates the possibility of solidification cracking which is often a problem when arc welding some aluminum alloys. The Friction Stir Welding process is used in industries such as aerospace, aircraft, automotive, railway, shipbuilding and others. Die FSW Technik wurde vom The Welding Institute (TWI) in Cambridge entwickelt und patentiert. DAU ist ein protokolliertes Industrielles Mitglied des TWI. Dau hat das Know-How Aluminiumlegierungen bis zu einer Dicke von 30mm mittels FSW homogen zu verbinden. Das FSW Verfahren eignet sich hervorragend zur Produktion von großen Teilen, da das Basismaterial nicht geschmolzen wird. Deshalb entstehen beim FSW auch keine Erstarrungsrisse, wie beim Gasschweißen von Aluminium. FSW wird in vielen Anwendungsbereichen, wie z.b. in der Raumfahrt, Flugzeugtechnik, Automobilindustrie, Eisenbahn- und Schiffbau so wie vielen anderen Bereichen eingesetzt. Die Konstruktion und Ausführung der Werkzeuge ist entscheidend für die Qualität und mögliche Verarbeitungsgeschwindigkeit. Konstruktion und Fertigung der Werkzeuge werden auf Grund langjähriger Praxis direkt im Hause DAU ausgeführt. Unser Team von FSW-Spezialisten steht für Fragen jederzeit zur Verfügung. The design of the tool is very important as it influences the quality and speed of the FSW process. Due to DAU s extensive experience with FSW, DAU has the ability to make its own tools for any application. Please do not hesitate to contact our FSW specialists if you have any further questions about this process. 31

32 High Performance Water Cooled Heat Sinks DAU KS SYSTEM STANDARD COLD PLATES Dimensions in mm STANDARD KÜHLPLATTEN Abmessungen in mm Type Breite B (Width) Dicke H (Thickness) Länge max L (max Length) Kanäle (Channels) With the KS-Series cold plates, DAU has created a liquid cooling system which offers a great variety of solutions. Lengths of plates and water routing are fully customer specific without creating additional costs. KS 0 KS 1 KS 140 KS 140-Typ 1 KS 188 KS 200 KS 200-Typ 1 KS 215 KS 20 KS 21 KS 22 KS DAU Series KS are mainly manufactured by using our standard extrusion profiles. For smaller quantities with custom specific water channel positions DAU will use a gun drilling technique. Different fluid path can be chosen according to the necessary thermal, flow and pressure drop requirements. DAU Serie KS wird vorwiegend aus unseren vorhandenen Standardprofilen gefertigt. Für kleinere Stückzahlen mit kundenspezifischen Wasserkanalpositionen verwendet DAU eine spezielle Tieflochbohrtechnik mit innengekühlten Spezialbohrern. Unterschiedliche Wasserführungen können je nach den thermischen, durchfluss- und druckabfallbedingten Anforderungen realisiert werden. Die von DAU entwickelten Wasserkühler der Serie KS bieten ein sehr großes Feld an Lösungsmöglichkeiten für Ihr Kühlproblem. Die Länge des Kühlers und die Wasserführung kann ohne zusätzliche Kosten an fast alle Anforderungen angepasst werden. 32

33 High Performance Water Cooled Heat Sinks DAU KS SYSTEM Different sizes of base profiles offers an optimal cooling unit for nearly every semi-conductor size. At a certain volume custom specific profiles can be initialized. The volume depends on the size of the profile. Please contact our technical department for further assistance. Durch eine Vielzahl an Profilen kann fast für jeden Halbleiter die optimale Kühleinheit gewählt werden. Ab bestimmten Abnahmemengen können kundenspezifische Profile eingerichtet werden. Die Menge hängt vom umschriebenen Kreis des Profils ab. Unsere Techniker beraten Sie in diesen Fällen gerne. Series KS 0 Series KS 430 Series KS 1 Series KS 22 Series KS 140 Series KS 21 Series KS 140-Typ1 Series KS 20 Series KS 188 Series KS 215 Series KS 200 Series KS 200-Typ 1 33

34 High Performance Water Cooled Heat Sinks DAU KS SYSTEM Typical Water Flow Patterns (Standard) Typische Wasserführung als Beispiel 3 Channels Channels Style 1 Style 1 Style 2 Water inlet and outlet locations are variable. Enclosed drawings show only some standard configurations. Tapers for connectors are typically 1/4 or 3/8 inch. For style KS 188, KS 215 and KS 20 also 1/2 inch can be used. For standard connectors pls. refer to standard fitting page. Style 2 Style 3 Style 4 Position des Wasser Zu- und Abflusses kann unterschiedlichst platziert werden. Nebenstehende Zeichnungen zeigen nur einige Standardausführungen. Gewinde für Anschlüsse sind üblicherweise 1/4 oder 3/8 Zoll. Für die Ausführungen KS 188, KS 215 und KS 20 können auch 1/2 Zoll verwendet werden. Sehen Sie dazu auch unser Datenblatt für Standard Fittings. Style 3 Style 4 Style 5 Style Style 7 34

35 High Performance Water Cooled Heat Sinks DAU KS SYSTEM Thermal Information Technische Daten 35 1,2 30 1,0 Further test curves for different types, styles and component sizes tested in our test facility are available upon request. Pls. contact our technical department for further information water flow rate[l/min] 0,8 0, 0,4 0,2 0,0 pressure drop [bar] pressure drop-with Turbo pressure drop-without Turbo Rth-with Turbo Rth- without Turbo Heatsink Serie KS-200, Style /7, with length 550mm and 2 IGBT Modules 140 x 10 mm Curves show value with and without DAU Special Turbulator for water with inlet temp. of 40 C Flüssigkeitskühler KS-200, Style /7, mit Länge 550mm und 2 IGBT Modulen 140 x 10 mm Kurven zeigen Werte für Ausführung mit und ohne DAU Spezialturbulatoren für Wasser mit 40 C Weitere Testkurven für die unterschiedlichsten Ausführungen, Styles und Bauelementegrößen, getestet in unserem Prüflabor sind auf Anforderung verfügbar. Bitte kontaktieren Sie dazu unsere Technik ,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 pressure drop [bar] water flow rate [l/min] Rth-modul 3 Rth-modul 1 pressure drop Heatsink Serie KS-20, Style 5, with length 450mm and 4 IGBT Modules 140 x10mm Curves show value with DAU Special Turbulator for water with inlet temp. of 40 C Flüssigkeitskühler KS-20, Style 5, mit Länge 450mm und 4 IGBT Modulen 140 x 10 mm Kurven zeigen Werte für Ausführung mit DAU Spezialturbulatoren für Wasser mit 40 C 35

36 Ultra High Performance Water Cooled Heat Sinks DAU KS-DL SYSTEM The Series KS-DL is a new innovating cold plate unit for applications that requires higher thermal performance than standard applications. Due to its special design DAU Series KS-DL achieves very low thermal resistances. In addition series KS-DL offers excellent uniform temperature distribution for the complete semiconductor cooling area. 30 B A Dimensions in mm Abmessungen in mm Type A B max KS-DL KS-DL KS-DL KS-DL Für Anwendungen die höhere thermische Anforderungen benötigen als üblich, wurde von DAU die Serie KS-DL entwickelt. Dieses neue und innovative Flüssigkeitskühlsystem bietet extrem niedrige thermische Widerstände bei gleichzeitig sehr gleichmäßiger Temperaturverteilung über den ganzen Kühlbereich KS-DL , 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 pressure drop [bar] water flow rate [l/min] Dp without turbos Dp with turbos Rth without turbos Rth with turbos 11 KS-DL ,8 1, 1,4 1,2 8 1,0 0,8 pressure drop [bar] 7 0, 0,4 0,2 5 0, water flow rate [lpm] Rth-with turbos Rth-without turbos pressure drop-with turbos pressure drop-without turbos 3