Im Bereich der Elektronik ist ein stetig voranschreitender Trend zu kompakten Leiterkartendesigns mit wachsenden Leistungs- und Packungsdichten, nicht nur im Bereich der Konsumgüter, für den Anwender oder Endverbraucher deutlich ersichtlich. Höhere Leistungsdichten bei gleichem oder oftmals kleinerem Packmaß gehen einher mit steigenden Verlustleistungen beziehungsweise Wärmeaufkommen der elektronischen Bauteile.
Mehr Wärme bedeutet mehr Stress und Belastung für die Bauteile, was zwangsläufig zu einer Reduzierung der Bauteillebensdauer oder sogar zu Funktionsausfällen der Bauteile in der Applikation führt, sofern deren Temperaturhaushalt nicht durch ein effizientes Wärmemanagement kontrolliert und gesteuert wird. Gerade auf der Leiterkarte korreliert allerdings aufgrund der stetigen Bauteilminiaturisierung oftmals die abzuführende Wärmemenge mit der Oberflächengröße des benötigten Entwärmungskonzeptes. Wirkungsvolle, wärmetechnisch optimierte und besonders kompakte Lösungen mit vielfältigen Features zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte sind gefragt und unabdingbar.
Kühlkonzepte für die Leiterkarte
Diverse Lösungen zur Regulierung des Wärmehaushaltes elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte stehen dem Anwender bei Fischer Elektronik zur Verfügung. Angefangen von klassischen Kühlkörperlösungen als Strangpressprofil im Miniaturformat bis hin zu Board Level Kühlkörpern als Blechbiegeteil aus Aluminium oder Kupfer, werden zuverlässige und kostengünstige Ansätze angeboten. Die bereits genannten Board Level Kühlkörper, auch als Fingerkühlkörper bezeichnet, sind speziell auf die unterschiedlichen Bauteilbestückungsarten, wie die klassische Durchsteckmontage (IMT = Insertion-Mount-Technology) oder der Oberflächenmontage (SMT = Surface-Mount-Technology), ausgerichtet sowie angepasst.
Fingerkühlkörper liefern auf der Leiterkarte eine effiziente Möglichkeit der Bauteilentwärmung und werden mittels komplexer Werkzeuge im Stanz-Biegeverfahren aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen hergestellt. Unterschiedliche Varianten und Ausführungen sind speziell für die gängigsten Transistorbauformen, wie zum Beispiel TO 220, TO 218, TO 247, TO 248 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, verwendbar. Grundsätzlich sollte das ausgewählte Entwärmungskonzept bereits in der Konzeptphase des Leiterkartendesigns betrachtet und berücksichtigt werden, um gleichfalls die erforderlichen Größenverhältnisse einzuplanen.
Universelle Board-Level-Kühlkörper
Zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, gemäß den bereits genannten Transistorbauformen, werden vielfach sogenannte Fingerkühlkörper verwendet. Der Begriff Fingerkühlkörper wird in der Fachwelt auch als Board-Level-Kühlkörper bezeichnet, wobei diese Kühlkörper als Grundelement eine Basisplatte enthalten, welche gleichzeitig als Halbleitermontagefläche dient. Neben dieser Auflagefläche stehen von dieser Basisplatte jeweils einzelne Kühlfahnen (Lamellen, Finger) ab, welche in gerader oder abgewinkelter Form die Geometrie des Fingerkühlkörpers ergeben.
In Summe ermöglichen Board-Level-Kühlkörper durch ihre kompakte Bauweise ein effizientes Entwärmungskonzept für die Leiterkarte sowie eine bestmögliche Oberflächengröße per Volumen. Fertigungstechnisch werden Board-Level-Kühlkörper mit Hilfe von komplexen Stanz-Biege-Werkzeugen hergestellt, wobei eine fortschrittliche Werkzeugtechnologie in Verbindung mit dem dazugehörigen Maschinenpark schnelle Stanzvorgänge bei gleichzeitig niedrigen Stückkosten ermöglicht.
Aufsteckkühlkörper
Eine Untergruppe der bereits erwähnten Board-Level-Kühlkörper mit vielzähligen positiven und für den Anwender nutzbaren Eigenschaften ist durch die sogenannten Aufsteckkühlkörper gegeben. Als Besonderheit besitzen Aufsteckkühlkörper eine integrierte Klemmhalterung beziehungsweise -feder, mit welcher ein Transistor direkt mit dem Kühlkörper, durch einfaches einschieben/aufstecken unter die Federklammergeometrie, verbunden und befestigt wird. Die integrierte Federklammergeometrie mit dem dazugehörigen Anpressdruck führt zu einem optimalen Wärmeübergang vom Bauteil in die Basisplatte und gewährleistet darüber hinaus eine einfache, schnelle und sichere Montage des Bauteils.
Für unterschiedliche Einbaulagen der Leiterkarte, ob vertikal oder horizontal, sind unterschiedliche, die freie Konvektion unterstützende Geometrien und Formen gegeben, welche ebenfalls zur sicheren Befestigung auf der Leiterkarte im Design integrierte Lötstifte enthalten. Hierdurch wird das Gesamtpaket Bauteil/Kühlkörper auf der Leiterkarte stabilisiert und sicher fixiert.
Extrusionskühlkörper in Miniaturformat
Neben den genannten Aufsteckkühlköpern beinhaltet die Produktgruppe der Board Level Kühlkörper gleichfalls sehr effiziente Extrusionskühlkörper in Miniaturformat. Diese werden im Aluminiumstrangpressverfahren hergestellt und liefern ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit, in Relation zum Wärmeableitvermögen.
Besonderen Einsatz finden die sogenannten SMD-Kühlkörper bei der Entwärmung von SMD montierten Bauteilen auf der Leiterkarte. Im Gegensatz zu den elektronischen Bauteilen für die Durchsteckmontage, besitzen SMD-Bauelemente keine Drahtanschlüsse, sondern können mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterkarte aufgelötet werden.
In puncto Gewicht und Geometrie sind die jeweiligen SMD-Kühlkörper auf die oberflächenmontierten Bauteile abgestimmt, wobei der kleinste SMD-Kühlkörper gerade einmal eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm2 bei einem Gewicht von 0,24 g besitzt. Das geringe Gewicht der SMD-Kühlkörper gewährleistet somit eine direkt Montage auf der Leiterkarte oder dem Bauteil, ohne wie zum Beispiel bei Ball Grid Array (BGA) gelöteten Bauteilen, die kugelförmigen geformten Lötpunkte auf der Unterseite des Arrays durch mechanischen Stress zu beschädigen.
SMD-Kühlkörper montieren
Die Montage von SMD-Kühlkörpern auf dem elektronischen Bauteil erfolgt mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien auf Polyimidbasis oder 2-komponentigen Epoxydharzwärmeleitklebern. Beide Klebevarianten beziehungsweise Möglichkeiten dienen bei fachgerechter Anwendung und Reinigung der zu verklebenden Bauteile, als vollständiger Ersatz einer mechanischen Verbindung.
Zur direkten Lötmontage der SMD-Kühlkörper auf der Leiterkarte sind ebenfalls Ausführungen mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung erhältlich. Demzufolge besteht gleichfalls die Möglichkeit, im Reflow- oder Wellenlötverfahren, die verschiedenartigen SMD-Kühlkörper direkt auf die Leiterkarte aufzulöten. Aufgrund der lötfähigen Beschichtung, wird der Kühlkörper auf eine auf der Leiterplatte vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche aufgelötet. Der Kühlkörper nimmt die abzuleitende Verlustwärme auf und leitet diese an die Umgebung ab.
Die Wärmespreizfläche kann relativ flexibel gestaltet werden, da keine Bohrungen in der Leiterplatte notwendig sind. Ebenso lassen sich die SMD-Kühlkörper in den Bestückungs- und Lötprozess einfach integrieren, da diese auch als Tape and Reel (Gurt und Spule) somit wie ein SMT-Bauteil verarbeitet werden können.
Wärmereduzierung per Heat slug
Weitere oberflächenmontierte elektronische SMD-Bauelemente, wie zum Beispiel die Gehäusebauformen der Serie D PAK (TO 252), D2 PAK (TO 263), D3 PAK (TO 268) sowie LF PAK (SOT 669), erfordern besondere Entwärmungskonzepte. Bei den genannten Bauteilen erfolgt der Wärmetransport vom Bauteil auf der Unterseite, dem sogenannten Heat slug, in die Leiterkarte. Demzufolge ist eine direkte Montage eines Kühlkörpers auf der Bauteiloberseite nicht von Nutzen.
Kompakte und speziell angefertigte Board Level Kühlkörper aus Kupfermaterial als Blechbiegeteil, bieten eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und ermöglichen aufgrund einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung eine direkte Lötmontage auf der Leiterkarte. Bestenfalls wird der Fingerkühlkörper über dem Bauteil auf eine Kupfer-Wärmespreizfläche auf der Leiterkarte mittels Reflow Lötverfahren aufgelötet. Die entstehende Wärme wird von dem Bauteil über den Heat slug in die Leiterkarte weitergeleitet, vom Kühlkörper aufgenommen und an die Umgebungsluft mittels der freien Konvektion abgeleitet.
Die Gestaltung der Wärmspreizfläche kann relativ frei erfolgen, da keinerlei Bohrungen in der Leiterkarte benötigt werden. Das bietet ebenfalls den Vorteil der einfachen Integration in den Bestückungs- und Lötprozess, da der Kühlkörper, gegurtet und auf Spule als Tape & Reel, wie ein sonstiges SMT-Bauteil verarbeitet werden kann.
Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen
Für die Wärmeabfuhr größerer Verlustleistungen elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte, sind großvolumige Kühlkörper mit besonderen Eigenschaften von Nöten. Sogenannte Leiterplattenkühlkörper ermöglichen eine gezielte Entwärmung von elektronischen Bauteilen, wie Transistoren oder ICs, auf der Leiterkarte.
Die Befestigungsmöglichkeit des Kühlkörpers an oder auf dem Bauteil, sowie die Befestigung der gesamten Einheit auf der Leiterkarte, stellt bei allen Kühlkörperlösungen ein herausragendes Thema dar. Leiterplattenkühlkörper für Einrasttransistorhaltefedern enthalten in der Kühlkörpergeometrie eine speziell geformte Nut, über welche mittels verschiedener Einrasttransistorhaltefedern die Befestigung der zu entwärmenden Bauteile erfolgt.
Unterschiedliche, auf die zu befestigenden Bauteile angepasste Einrasttransistorhaltefedern aus Edelstahl, können schnell und einfach per Clipfunktion in die Nut unverlierbar eingerastet werden, gewährleisten weiterhin eine sichere Fixierung der Bauteile mit hohem Anpressdruck und optimalen Wärmeübergangswiderstand auf der Montagefläche des Kühlkörpers. In der Nutgeometrie in Position gebracht und fixiert, sind die Einrasttransistorhaltefedern nicht mehr verschiebbar, wobei gleichfalls ein herausfallen in Querrichtung nicht möglich ist.
Die Befestigung des jeweiligen Leiterplattenkühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt ebenfalls durch im Strangpressverfahren integrierte profilgepresste Gewindekanäle. In diesem geformten Gewindekanal kann nun von der Rückseite der Leiterplatte eine metrische M3 Schraube zur Befestigung des Kühlkörpers mit der Leiterplatte eingeschraubt werden. Zubehörkomponenten mittels einpressbarer Messingbolzen mit einem M3-Außengewinde oder spezieller Lötstifte, liefern weitere Befestigungsarten des Leiterplattenkühlkörpers.
