Optoelektronik, Displays & HMI Leiterkarten optimal entwärmen

Vielfältige Möglichkeiten zur Entwärmung elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte sind auf dem Markt erhältlich und praktikabel. Die Praxis zeigt allerdings, dass es dem Anwender oftmals schwer fällt, sich zwischen den verschiedenartigen Varianten zu entscheiden und eine genaue auf die Applikation zugeschnittene Lösung zu finden. Ein probates Mittel zur gezielten Entwärmung elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte, erfolgt immer schon durch die Befestigung der zu entwärmenden Halbleiter an die Wärmesenke. Die so genannten „Board Level“-Kühlkörper auf Leiterkarten werden jedoch oftmals aus Platzgründen nicht gerne gesehen, sind allerdings dessen ungeachtet essentiell. Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten IMT (Insertion-Mount-Technology), der klassischen Durchsteckmontage, oder SMT (Surface-Mount-Technology), der Oberflächenmontage der Bauteile, existieren hier zahlreiche Lösungen für ein passendes thermisches Management auf der Leiterkarte. Grundsätzlich korreliert unter anderem die Menge der in die Umgebung abgebbaren Wärmemenge mit der Oberflächengröße als auch deren Gestaltung, weshalb für das Design der Entwärmung eine optimierte und kompakte Bauform des Kühlkörpers bevorzugt gefordert wird. Verschiedenartige Kühlkörpervarianten als Aluminiumstrangpressprofil, Kupfer- oder Aluminiumblechbiegeteil, liefern kostengünstige und zuverlässige Lösungen zur Entwärmung elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte.Eine gute Wärmeableitung elektronischer Bauelemente, die mittels der IMT-Technik direkt auf der Leiterkarte montiert sind, erfolgt über so genannte Fingerkühlkörper.

Fingerkühlkörper für Transistoren

Für alle gängigen Transistorbauformen, angefangen von TO 220 bis TO 247 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, bieten passende Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen eine ausgezeichnete Möglichkeit auf kleinstem Einbauraum, geringe bis mittlere Halbleiterverlustleistungen sicher zu entwärmen. Fingerkühlkörper besitzen eine sehr effektive Kühlkörperbauweise, welche aus einer Grundplatte besteht, von der abstehende Lamellen oder Fahnen (Finger), in gerader oder abgewinkelter Form, die Geometrie ergeben. Sie bieten neben der geforderten Kompaktheit die bestmögliche Oberflächengröße per Volumen. In der Produktion sind die Fingerkühlkörper allerdings kostenintensiver, da für die Herstellung aufwändigere Stanz-Biege-Werkzeuge mit höheren Kosten zum Einsatz kommen. Eine fortschrittliche Werkzeugtechnologie in Verbindung mit dem dazugehörigen Maschinenpark ergeben indessen schnelle Stanzvorgänge und somit in Summe niedrige Stückkosten. Die horizontale (liegende) oder vertikale (stehende) Befestigung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper erfolgt unter anderem mittels integrierter Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern. Bei der Schraubmontage wird der Transistor auf den jeweiligen Kühlkörpertyp aufgesetzt und gleichzeitig mit diesem, oder auch der Leiterkarte, zu einer Einheit verschraubt. Die jeweiligen auf die Bauteile abgestimmten Federklammergeometrien ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt. Eine weitere Befestigungsmöglichkeit für ungelochte Fingerkühlkörper liefern doppelseitig klebende Wärmeleitfolien mit deren Hilfe sich die elektronischen Bauteile relativ einfach und schnell auf den Kühlkörper aufkleben lassen. Kühlkörperformen mit einer integrierten Klammerbefestigung, die so genannten Aufsteckkühlkörper, bieten eine weitere Art der Kühlkörperkontaktierung für Transistoren auf der Leiterkarte. Der ebenfalls auf den Transistortyp und auf die benötigte Haltekraft angepasste Befestigungsflansch wird direkt bei der Herstellung durch Biegeprozesse in den Kühlkörperaufbau integriert. Die Montage der elektronischen Bauteile erfolgt hierbei durch Aufschieben des Kühlkörpers auf das Bauteil. Zur mechanischen Stabilisierung und Fixierung der Finger- und Aufsteckkühlkörper auf der Leiterkarte enthalten diese ebenfalls integrierte oder extra angepresste Lötstifte für eine vertikale oder horizontale Einlötbefestigung, da neben der guten Wärmeableitung auch ein besonderer Wert auf eine gute Lötbarkeit dieser Kühlkörper gelegt wird. Die aus Aluminiumbändern hergestellten Board-Level-Kühlkörper besitzen eine schwarz eloxierte Oberfläche, welches in punkto Wärmeableitung (Radiation) einige Vorteile mit sich bringt. Die Einlötbefestigung dieser Kühlkörper in die Leiterkarte wird durch das Anpressen von einzelnen verzinnten Lötstiften gewährleistet. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, die Kühlkörpergeometrien komplett mit einer lötfähigen Oberfläche zu versehen. Beschichtungen aus Reinzinn gewährleisten eine hervorragende Lötbarkeit und erfüllen bereits seit vielen Jahren die Anforderungen heutiger EU-Richtlinien (RoHS). Eine besonders gute Lötfähigkeit, beim Wellenlöten oder auch im Reflow-Lötverfahren, ist ebenfalls bei der Verwendung moderner Flussmittel und deren Temperaturprofil gegeben.

SMD-Kühlkörper für die Leiterkarte

Im Gegensatz zu den elektronischen Bauteilen für die Durchsteckmontage, besitzen SMD-Bauelemente keine bedrahteten Anschlüsse, sondern lassen sich mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterkarte auflöten (SMT). Die kompakten SMD-Kühlkörper werden im Aluminium-Strangpressverfahren oder als Aluminiumdrehteil hergestellt und sind jeweils auf oberflächenmontierten elektronischen Bauelemente in punkto Geometrie und Gewicht abgestimmt. Der kleinste SMD-Kühlkörper besitzt gerade einmal eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm²bei einem Gewicht von 0,24 g. Aufgrund dessen, zum Beispiel bei BGA(Ball Grid Array)-gelöteten Bauteilen, können die SMD-Kühlkörper direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden, ohne hierbei die kugelförmigen geformten Lötpunkte auf der Unterseite des Arrays durch mechanischen Stress zu beschädigen. Für die Klebverbindung von geeigneten Wärmesenken auf das jeweilige Bauteil bieten sich doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder Wärmeleitkleber basierend auf Epoxydharz an. Diese dienen als vollständiger Ersatz einer mechanischen Verbindung mittels Schrauben, benötigen des Weiteren lediglich Staub- und Fettfreie zu verklebende Oberflächen. Neben der Klebetechnik werden je nach Leiterkartendesign und Bauteilbeschaffenheit auch immer häufiger SMD-Kühlkörper über das Bauteil, direkt neben dem Bauteil oder sogar an einer anderen Stelle auf der Leiterkarte, auf einer separaten Kupferanschlussfläche, aufgelötet. Bei derartigen SMD-Komponenten, wie zum Beispiel D PAK, LF PAK, erfolgt der interne Wärmetransport an die Umgebung, nicht wie gewöhnlich über das Kunststoffgehäuse auf der Oberseite, sondern über einen so genannten „Heat slug“ auf der Unterseite vom Bauteil in die Leiterkarte. Von hier aus wird nun die entstehende Wärme mittels Kupferleiterbahnen auf der Leiterkartenoberfläche oder mittels Durchkontaktierungen in der Leiterkarte aus Kupfer (Thermal Vias) an die entsprechende Wärmespreizfläche transportiert, an die der Kühlkörper aufgelötet ist. Dieser nimmt die abzuleitende Verlustwärme auf und leitet diese an die Umgebung ab. SMD-Kühlkörper müssen gleichfalls für diesen Anwendungsfall, wie bereits bei den Fingerkühlkörpern erwähnt, mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung ausgestattet sein. Diese ist in Verbindung mit unterschiedlichen Kühlkörpergeometrien sowohl für das Reflow- als auch Wellenlötverfahren mit Temperaturen größer 200 °C geeignet. Ein weiterer Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sich im Prozess der Leiterkartenbestückung und auch beim Lötverfahren der SMD-Kühlkörper wie ein SMD-Bauteil verwenden lässt. Verschiedenartige Verpackungsformen, wie Gurt & Spule, Tablett oder Stangenmagazin, unterstützen bzw. gewährleisten ebenfalls den automatischen Bestückungsprozess.

Fazit

Die Forderungen für die Entwärmung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterkarte haben sich nicht vermindert. Aufgrund stetig steigender Packungs- und Leistungsdichten, Bauteilminiaturisierung und verstärkter Komplexität der Baugruppen sowie der Zusammenfassung einzelner Funktionsbausteine zu einer Komponente, wird der zu leistende Aufwand für eine geeignete Entwärmung auch zukünftig kontinuierlich steigen. Die Auswahl eines geeigneten Kühlkonzeptes ist ausschlaggebend für die technisch einwandfreie und kostengünstige Entwärmung bei elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte.