Strangkühlkörper aus Aluminium sind ein probates und sehr häufig genutztes Konzept, um elektronische Bauteile zu entwärmen beziehungsweise deren Betriebstemperatur in einem vorgegebenen Temperaturfenster zu betreiben. Die Auswahl eines Strangkühlkörpers, welcher zu der Applikation passt, erfolgt oft anhand der notwendigen thermischen Parameter. Oftmals werden hierbei die mechanischen Kriterien sowie die thermische Anbindung der Bauteile auf der zugrunde gelegten Kühlkörperlösung vernachlässigt. Strangkühlkörper werden in der Applikation vielfach als Komponente im Gesamtkonzept verbaut, weshalb im Vorfeld eine Toleranzbetrachtung in der jeweiligen Einbausituation zu empfehlen ist.
In der Physik wird ein Kühlkörper als eine Oberfläche mit einer Rippenstruktur verstanden. Diese Struktur bewirkt im Wesentlichen eine Oberflächenvergrößerung, wodurch ein deutlich besserer Wärmeübergang vom Grundkörper an die umströmende Luft erzielt wird. Strangkühlkörper, auch oftmals als Extrusionskühlkörper bezeichnet, werden meistens durch ein direktes vorwärts Strangpressen hergestellt. Vorwärts bedeutet hierbei, dass ein Pressenstempel mit hoher Kraft den erwärmten Aluminiumblock entlang der Innenfläche eines Rezipienten in Richtung der Werkzeugmatrize presst. Die eigentliche Werkzeugmatrize liefert, nach dem das Material hindurchgepresst wurde, die gewünschte Kühlkörpergeometrie und beeinflusst je nach Werkzeugauslegung, die unvermeidbaren Toleranzabweichungen zur Wunschgeometrie.
Aufgrund der Werkzeugauslegung und Konstruktion, Temperaturen der beteiligten Komponenten, wie Aluminiumbolzen und Werkzeug sowie die entstehende Reibung beim Strangpressen, sind Strangkühlkörper niemals ohne Toleranzen herzustellen. Diese Tatsache ist vielen Anwendern nicht bewusst oder bekannt, was im Nachgang meistens zu teuren sowie umfangreichen Anpassungen in der Applikation führt.
Die beim Strangpressen für Kühlkörper verwendete Aluminiumlegierung EN AW 6060 besteht im Wesentlichen aus den Legierungsbestandteilen Aluminium, Magnesium und Silizium. In Su mme gewährleistet diese Legierungszusa mmensetzung eine sehr gute CNC-Bearbeitbarkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie Endprodukte mit einer sehr hohen Oberflächengüte, welche in der Nachbehandlung für viele Oberflächenbehandlungen geeignet ist. Wie bereits erwähnt sind Strangkühlkörper nicht ohne Toleranzen herzustellen, wobei die zulässigen Toleranzabweichungen zur Soll-Geometrie in international gültigen DIN-Normen festgelegt sind.
Profilquerschnitte und deren auftretenden Toleranzen mit einem umschreibenden Kreis von ≤ 350 mm sind in der Norm DIN EN 12020 und für Strangprofile mit einem umschreibenden Kreis von > 350 mm in der DIN EN 755 aufgeführt. Kurz gesagt, je größer die Abmessungen des Kühlkörpers, desto größer fallen die Toleranzabweichungen in Punkto der Profilbreite und -höhe, der Winkelabweichung, der Verwindung und Planparallelität, der Wanddickentoleranz sowie der Wölbung (konvex/konkav) des Querschnittes aus.
Strangkühlkörper für die Leiterkarten
Die im Hause Fischer Elektronik so bezeichneten SMD-Kühlkörper, werden ebenfalls im Strangpressverfahren hergestellt und liefern effiziente Lösungen zur Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte. Unterschiedliche zur Verfügung stehende SMD-Kühlkörper sind in ihrer Geometrie und ihrem Gewicht speziell für die Montage auf elektronischen Bauteilen oder Leiterkarten angepasst. Das geringe Eigengewicht ermöglicht eine direkte Oberflächenmontage auf dem Bauteil, ohne die Lötverbindung durch mechanischen Stress zu beschädigen. Die wärmetechnische Kontaktierung beziehungsweise Befestigung auf dem Bauteil erfolgt mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien oder 2-komponentigen Epoxidharzwärmeleitklebern. SMD-Kühlkörper, die für eine Verklebung auf dem Bauteil angedacht sind, besitzen eine schwarz eloxierte Oberfläche, die bei der Wärmeableitung, genauer gesagt bei der Wärmeabstrahlung, einige thermische Vorteile mit sich bringt.
Lässt die Kundenapplikation keine Klebverbindung zu oder scheidet diese Befestigungsart aufgrund der Applikationsumgebung aus, so sind im Produktportfolio ebenso SMD-Kühlkörper mit einer lötfähigen und RoHS konformen Oberflächenbeschichtung verfügbar. Mittels einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung können SMD-Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte, genauer gesagt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, welche mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufgelötet werden.
Der Wärmefluss erfolgt vom Bauteil in die Wärmespreizfläche, wird an dieser Stelle vom aufgebrachten SMD-Kühlkörper aufgeno mmen und über die Rippenstruktur an die Umgebung abgeleitet. Auch sind SMD-Kühlkörper gemäß Kundenwunsch in speziellen Verpackungsformen, wie zum Beispiel als Tape & Reel oder im Stangenmagazin, erhältlich. Somit ist es für den Anwender relativ einfach den jeweiligen SMD-Kühlkörper in den Produktionsprozess zu integrieren, da dieser ähnlich wie ein sonstiges elektronisches Bauteil behandelt werden kann.
Um eine Entwärmung leistungsstarker elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte zu realisieren, bieten Leiterplattenstrangkühlkörper in thermischer und montagetechnischer Hinsicht eine optimale Lösung. Die Befestigung des Kühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt über einen oder mehrere Lötstifte, als Spann- oder Vollstift, die fest im Kühlkörper eingepresst sind und durch eine lötfähige Oberflächenbeschichtung direkt in die Leiterkarte eingelötet werden. Die wärmetechnisch optimale und die freie Konvektion unterstützende Rippengeometrie des Kühlkörpers wird durch verschiedenartige Versionen für eine auf die Leiterkarte bezogene vertikale, als auch horizontale Einbauart, gewährleistet.
Die liegende oder stehende Befestigung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper erfolgt unter anderem mittels integrierter Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern. Die jeweiligen auf die Bauteile abgestimmten Federklammergeometrien der Serie THF... ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt. Die Klammerbefestigung erlaubt es, fast alle Arten und Größen von Transistorgehäuseformen, wie TO 220, TO 218, TO 247 und so weiter, diverse SIP-Multiwatt als auch lochlose MAX-Typen sicher zu fixieren.
Die thermische Bauteilanbindung
Die angesprochenen Kühlkörpertoleranzen machen mitunter die Kontaktierung der elektronischen Bauteile auf der Halbleitermontagefläche nicht einfacher. Je nach entstehenden Luftspalt zwischen der Kontaktpaarung Kühlkörper/Bauteil, sollte ein geeignetes Wärmeleitmaterial ausgewählt werden, was allerdings zur Applikation passt. Unterschiedliche auf dem Markt verfügbare Wärmeleitmaterialien dienen im Grundsatz zur Verbesserung der Wärmeleitung und zum Ausgleich von Lufteinschlüssen beim Wärmeübergang zwischen der Kontaktpaarung. Gemäß dem thermischen Pfad, also dem Wärme Weg vom Bauteil bis hin zum Kühlkörper, gewährleisten kleinste Wärmeübergangswiderstände eine sichere Halbleiterfunktion im vorgegebenen Temperaturbereich.
Wärmeleitmaterialien (TIM) werden leider in vielen Applikationen nur anhand ihrer Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, ohne allerdings die Einbausituation und geforderten Randbedingungen zu betrachten beziehungsweise zu berücksichtigen. Das Material mit der Besten im Datenblatt genannten Wärmeleitfähigkeit hat gewonnen, lautet oftmals das Fazit, da technisch gesehen das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit zu einem geringeren Temperaturanstieg am Bauteil und damit zu einer längeren Lebensdauer führt.
Soweit richtig, aber in vielfachen Untersuchungen und Laborversuchen nachgewiesen, dass TIMs mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, je nach Applikation und Anzahl von Lastzyklen, um ein Mehrfaches schlechter abgeschnitten haben als Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit. Daher sollte das gewählte Wärmeleitmaterial unbedingt zur Applikation passen und dem Anwender bleibt oftmals nichts anderes übrig, als sämtliche Randparameter seiner Anwendung zu betrachten. Bestenfalls werden im Nachgang die in Frage kommenden Materialien in einen Versuchsaufbau integriert und auf Tauglichkeit ausführlich untersucht und getestet.
Bei der Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind weitere Faktoren wie die thermische Impedanz (Wärmeleitfähigkeit), die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), die chemische Zusammensetzung (Umweltverträglichkeit) sowie die Flexibilität (Shore Härte) oder Zugfestigkeit zu hinterfragen. Darüber hinaus sind eine leichte Handhabung, eine gute Alterungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer wichtige Auswahlkriterien, die es zu berücksichtigen gilt. Die Welt der angebotenen Wärmeleitmaterialien bietet vielzählige und unterschiedliche Ausführungen sowie Zusammensetzungen, welche bei richtiger Anwendung hervorragende Lösungsansätze zur thermischen Kontaktierung bieten.
