FISCHER ELEKTRONIK GmbH & Co. KG

Wie die zunehmenden Probleme, bei der Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, gelöst werden können.

Bild: iStock, Blablo101

Abkühlung für die Leiterkarte Effizientes Thermomanagement mit Kühlkörpern

29.08.2019

Die Miniaturisierung sowie die Leistungsfähigkeit elektronischer Halbleiter schreiten stets voran. Einhergehend steigt gleichermaßen die Wärmeverlustleistung pro Flächeneinheit. Zunehmende Probleme der Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, müssen durch ein effizientes thermisches Management gelöst werden.

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In der Literatur wird die Leiterkarte, als ein mit Hilfe von Kunstharz und Glasgewebe verpresstes Laminat aus kupferbeschichteten Kunststoffplatten beschrieben. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Laminates, bis auf die genannte Kupferbeschichtung in Form von Leiterbahnen, ist allerdings sehr schlecht. Jedoch hätten die einzelnen Bauteile ohne jegliche Leiterkarte, kaum Überlebenschancen, da die Bauteile selbst für eine effiziente Wärmeableitung an die Umgebung nicht die notwendige Oberflächengröße besitzen. Erst durch die Verbindung dieser Bauteile mit der Leiterkarte (THT/SMD) und der damit verbundenen Wärmespreizung, auch mittels geeigneter Leiterkartenkühlkörper, kann die entstehende Verlustwärme an die Umgebung abgegeben werden. Die an die Umgebung abzuführende Wärmemenge, korreliert wie bereits angesprochen, mit der Oberflächengröße der elektronischen Bauelemente als auch deren Gestaltung. Nicht nur ein effizientes Entwärmungskonzept wird seitens der Kunden nachgefragt und verlangt, sondern auch sollte dieses kompakt ausgeführt und einfach auf der Leiterkarte integrierbar sein. Der permanent ansteigende Trend zu kleineren, kompakteren sowie ungenormten Leiterkarten ist für jeden Endanwender deutlich ersichtlich. Kleinere Baugruppen auf der Leiterkarte erfordern eine größere Anzahl an SMD Bauteilen mit hoher Leistungsdichte. Neben einer intelligenten Leiterkartengestaltung mit einem innovativen Leiterkartendesign, müssen gleichwohl effektive Schaltungskonzepte mit einer sinnvollen Bauteilauswahl und besonders die thermischen Randbedingungen mit berücksichtigt werden. Die richtige Berechnung einer geeigneten Entwärmung, mittels einfacher Formeln oder thermischen Simulationen, gehört ebenso zu den genannten Randbedingungen, wie eine optimale Platzierung, z. B. von Kühlkörpern auf der Leiterkarte.

Entwärmung durch verschiedene Wirkprinzipien

Ein einfaches und sehr häufig genutztes Verfahren, um elektronische Bauelemente auf der Leiterkarte zu entwärmen, ist z. B. in Form von entsprechenden Leiterkartenkühlkörpern gegeben, welche direkt an oder auf dem zu kühlenden Bauteil befestigt werden. Eine optimale Entwärmungsmöglichkeit von elektronischen Bauteilen, welche direkt mittels der IMT Technik (Insertion-Mount-Technology) auf der Leiterkarte verlötet sind, bieten so genannte Fingerkühlkörper ausgezeichnete Lösungsansätze. Fingerkühlkörper werden in der Fachsprache auch als Board Level Kühlkörper bezeichnet. Diese jeweils auf die Bauteile abgestimmten Fingerkühlkörperformen, werden aus Aluminium- oder Kupfermaterial produziert und liefern angefangen von TO 220 bis TO 247, SIP-Multiwatt und etliche mehr, ausgezeichnete Entwärmungsmöglichkeiten auf kleinstem Einbauraum. Der Aufbau der genannten Fingerkühlkörper besteht aus einer Grundplatte, die gleichzeitig als Bauteilmontagefläche dient. Von dieser Fläche abstehend bilden einzelne Fahnen oder Lamellen in abgewinkelter sowie gerader Form die Kühlrippen zur Wärmeabfuhr an die Umgebung. Die jeweilige Kühlkörpergeometrie wird im Stanz-Biege Verfahren umgeformt und liefert als Fingerkühlkörper die oftmals geforderte Systemkompaktheit, anderseits eine bestmögliche Oberflächengröße per Volumen zur idealen Wärmeabfuhr.

Die Befestigung der unterschiedlichen Arten von Board Level Kühlkörpern auf oder an dem Bauteil, erfolgt mittels einer in der Geometrie integrierten Klammerbefestigung (Aufsteckkühlkörper), mittels integrierter Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern, aber auch durch einfaches aufschieben auf das Bauteil. Die bereits im Herstellungsprozess integrierten Federklammergeometrien, wie auch die einzelnen auf das Bauteil abgestimmten Transistorhaltefedern, ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt. Ebenfalls sind für eine horizontale oder vertikale Fixierung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper, unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten gegeben.

Die Kühlkörperbefestigung auf bzw. mit der Leiterkarte erfolgt über im Fertigungsprozess integrierte Lötstifte. Diese sind der jeweiligen Kühlkörperkontur angepasst, ermöglichen eine mechanische Stabilisierung der Gesamtbaugruppe Kühlkörper/Bauteil und sind für eine vertikale oder horizontale Einlötbefestigung gegeben. Neben der Wärmeableitung des Fingerkühlkörpers, wird seitens der Kunden gleichfalls eine einfache Montage auf der Leiterkarte sowie eine gute Lötbarkeit gefordert. Die lötfähige Beschichtung der kompletten Board Level Kühlkörper, aber auch der einzelnen Lötstifte, ist gemäß der EU-Richtlinie RoHS ausgelegt. Fingerkühlkörper aus Aluminium mit einer schwarz eloxierten Oberfläche und extra angecrimpten Lötstiften, bewirken eine weitere Steigerung der Wärmeabfuhr durch die erhöhte Wärmestrahlung der Oberfläche.

Größere Wärmeabfuhr durch angepasste Strangkühlkörper

Das umfangreiche Produktspektrum zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, beinhaltet ebenfalls effiziente SMD Kühlkörper als Strangpressprofil aus Aluminium. Diese direkt auf der Oberfläche montierbaren Kühlkörper sind in ihrem Gewicht und ihrer Geometrie auf die unterschiedlichsten Bauteile angepasst. Aufgrund des sehr geringen Eigengewichtes können SMD Kühlkörper auf der Leiterkarte direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden, ohne hierbei die verbindenden Lötstellen mit der Leiterkarte durch mechanischen Stress zu beschädigen.

Doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder auch 2-komponentige Wärmeleitkleber, ermöglichen eine schnelle und sichere Montage der SMD Kühlkörper auf dem Bauteil. Zur Klebebefestigung besitzen die SMD Kühlkörper eine schwarz eloxierte Oberfläche, hingegen Kühlkörper zur Lötbefestigung auf der Leiterkarte eine lötfähige Oberflächenbeschichtung aufweisen. Mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren können SMD Kühlkörper mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung direkt auf der Leiterkarte bzw. auf einer Kupfer- Wärmespreizfläche aufgelötet werden. Ein weiterer Mehrwert für den Anwender ist durch die standardmäßige Verpackungsform als Tape and Reel (Gurt und Spule) gegeben. Hierdurch können SMD Kühlkörper wie ein elektronisches Bauteil gehandhabt werden und lassen sich deshalb relativ einfach in den Bestückungs- und Lötprozess integrieren.

Steigen die Verlustleistungen der auf der Leiterkarte verbauten elektronischen Bauteile, dann sind größere Kühlkörper gefragt und gefordert. Hierbei finden sehr häufig so genannte Leiterkartenkühlkörper für Einrasttransistorhaltefedern ihren Einsatz. Diese Ausführungen der Leiterkartenkühlkörper werden ebenfalls im Strangpressverfahren hergestellt und liefern in Summe ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des eingesetzten Materials, Gewicht und Preis, in Relation zum Wärmeableitvermögen.

Die Kühlkörperbefestigung der Leiterkartenkühlkörper, kann je nach Applikation auf unterschiedliche Weise erfolgen. Grundsätzlich besitzen alle Leiterkartenkühlkörper eine Art Kühlkörperfuß, welcher auf der Leiterkarte aufgesetzt wird und eine stabile Befestigung des Kühlkörpers auf der Leiterkarte ermöglicht. Im dem Kühlkörperfuß befindet sich ein stranggepresster Gewindekanal, in welchem von der Rückseite der Leiterkarte eine metrische M3 Schraube eingedreht werden kann. Für vibrationsreiche Applikationen, z. B. im Bereich Automotive oder Bahntechnik, besteht gleichfalls die Möglichkeit in dem Gewindekanal einen massiven Messingbolzen mit einem M3 Außengewinde einzupressen. Die Befestigung auf der Leiterkarte erfolgt dann nach Durchsteckmontage mittels einer Gegenmutter auf der anderen Leiterkartenseite. Eine weitere Montagemöglichkeit der Kühlkörper auf der Leiterkarte, ist durch einen Messingbolzen mit lötfähiger Oberflächenbeschichtung zur Einlötbefestigung gegeben. Der Messingbolzen hat die Geometrie eines entsprechenden Lötstiftes und kann wahlweise unverlierbar in den Gewindekanal eingeschraubt oder verpresst werden.

Die verschiedenartigen Leiterkartenkühlkörper sind in puncto ihrer Rippengeometrie optimal auf die freie Konvektion angepasst, unterstützen des Weiteren die unterschiedlichen Einbaulagen (horizontal/vertikal) von Leiterkarten in Systemen. Eine sichere und schnelle Bauteilbefestigung der jeweiligen Transistoren, wird über verschiedenartige Einrasttransistorhaltefedern aus Edelstahl gewährleistet. Diese Haltefedern können per Clipfunktion, in eine im Kühlkörper enthaltene spezielle Nutgeometrie, unverlierbar eingerastet werden.

Die einfache Montage der Komponenten mit sicherem Halt und hohem Anpressdruck, bewirkt einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Kühlköpermontagefläche, senkt nebenbei die Montagekosten, da die Befestigung der jeweiligen auf der Leiterkarte verbauten Transistoren an dem Kühlkörper, kundenseitig oftmals als Kostenreduktionsfaktor angesehen wird. Richtig in die Nut des Kühlkörpers eingerastet, hält die Einrasttransistorhaltefeder unverrückbar sowie unverschieblich ihre Position und fixiert mit hohem Anpressdruck das Bauteil auf der Montagefläche. Die universellen Einrasttransistorhaltefedern in Verbindung mit dem jeweiligen auf die abzuführende Verlustleistung angepassten Kühlkörper für Leiterkartenmontage, erlauben eine sichere und schnelle Montage fast alle Arten und Größen von Transistorgehäuseformen, wie TO 220, TO 218, TO 247 etc., diverse SIP-Multiwatt als auch lochlose MAX-Typen.

Bildergalerie

  • Vielfältige und verschiedenartige Board Level Kühlkörper ergeben Lösungsmöglichkeiten zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Angepasste SMD Kühlkörper ergeben den Mehrwert, dass diese bei der Leiterkartenbestückung wie ein elektronisches Bauteil behandelt werden können.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Per Clipfunktion können Einrasttransistorhaltefedern zur Bauteilmontage, einfach in eine Nutgeometrie des Leiterplattenkühlkörpers eingerastet werden.

    Bild: Fischer Elektronik

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