Elektronische Bauelemente werden traditionell mit Kühlkörpern gezielt entwärmt. Aktuelle Entwicklungen, Aufbauten, Schaltungskonzepte und Designmöglichkeiten sowie die Anforderungen der automatischen Bestückung und der kostengünstigen Weiterverarbeitung erfordern jedoch modernere Emtwärmungskonzepte.
Immer häufiger sind neben digitalen und analogen Schaltungen auch Leistungsteile auf den Leiterkarten vorhanden. Diverse hochintegrierte Prozessoren, DC/DC-Wandler sowie Leistungstransistoren als SMD und IMD benötigen immer mehr Kühlkörpervarianten. Hierbei sind eine sichere Entwärmung auf der Leiterkarte und eine sichere, schnelle Montage gefordert. Daher wurden die vorhandenen Kühlkörperkonzepte den Erfordernissen des Marktes angepasst, was zu einem Innovationsschub mit praktikablen Lösungen führte.
Verschiedene Möglichkeiten, elektronische Bauteile zu kühlen
Kühlkörper sind vielfach notwendig, werden aber auf der Leiterkarte nicht gerne gesehen. Ein Leiterkartenaufbau, bei dem die Wärme über Flüssigkeitskühlkanäle oder mit Thermal Vias oder Thermal Inlays an metallische Zwischen- oder Außenlagen geleitet wird, ist jedoch aufwändig und teuer.
Das thermische Management für eine Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte geht von der Überlegung aus, einzelne bzw. Gruppen von elektronischen Bauteilen wie Transistoren oder ICs gezielt zu entwärmen. Für die Bestückungsarten IMT (Insertion Mount Technology) und SMT (Surface Mount Technology) sind gängige Lösungsmöglichkeiten vorhanden. Für liegend montierte Transistoren der üblichen Baugrößen TO220 und TO247 gibt es so genannte Aufsatzkühlkörper, die auf das elektronische Bauteil aufgesetzt und auf der Leiterkarte oder einem sonstigen Träger verschraubt oder verklebt werden. Diese Kompaktkühlkörper sind nicht breiter als das Bauteil und lassen sich einzeln oder im Verbund einsetzen. Der Wärmeübergang vom Transistor zum Kühlkörper erfolgt dabei über die metallische Transistor-Befestigungslasche. IMT-Bauteile werden überwiegend stehend montiert, deshalb gibt es hier eine große Auswahl an Standardkühlkörpern aus Aluminiumlegierungen – ein guter Kompromiss zwischen Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Bearbeitungsmöglichkeiten. Bei allen Kühlkörpern ist die Befestigung am Halbleiterbauteil und auf der Leiterkarte ein herausragendes Thema. Bei der Schraubmontage wird das elektronische Bauteil am Kühlkörper angeschraubt und diese Einheit auf der Leiterkarte mittels Durchsteck-Schraubverbindung befestigt. Im Kühlkörper eingepresste Lötstifte ermöglichen auch eine Einsteck-Lötverbindung auf der Leiterkarte – bei der Lötung werden Bauelement und Kühlkörper im gleichen Arbeitsschritt befestigt. Bei einer weiteren Methode wird der Transistor mit einer Sattelklammer auf dem Kühlkörper fixiert und anschließend auf der Leiterplatte montiert. Für Anordnungen oder Gruppen von Transistoren sind Kühlkörper aus Strangprofil mit sogenanntem Profilgewinde gut geeignet. Bei einem Profilgewinde sind in Längsrichtung des extrudierten Profils versetzte Rillen eingebracht. Sie ähneln einem Gewinde (bilden dessen Steigung allerdings nur nach) und erlauben die Aufnahme von Gewindeschrauben in jeglicher Position. Die Unterseite des Kühlkörpers enthält ebenfalls diese Gewinderillen und ermöglicht daher ebenso eine nicht positionsgebundene Durchsteck-Schraubmontage des Kühlkörpers auf der Leiterkarte.
Innovative Montagetechniken gewährleisten guten thermischen Kontakt
Bei der modernen Variante der Strangprofilkühlkörper erfolgt die Transistormontage schnell und einfach über eine Klammer, die in eine Nut im Kühlkörperprofil eingepresst wird und das Bauteil fixiert. Diverse Profiltypen und Transistorhaltefederlängen haben sich als Standardanwendungsgrößen für Transistorbauformen etabliert. Sie bieten für viele Applikationen eine passende Entwärmungslösung.
Die gezielte Kühlung einzelner, leistungsstarker elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte wird immer mehr zu einer thermischen und montagetechnischen Herausforderung. Die thermischen Belange erfordern meist einen volumigen Kühlkörper mit Extrusionsprofil, der sich auf der Leiterkarte jedoch nur mit großem Aufwand montieren lässt. Daher gibt es Standardversionen extrudierter Kühlkörper sowohl für eine im Rippenverlauf vertikale als auch horizontale Einbauart. Neben den genannten Schraub- und Klammervarianten existieren sogenannte Aufsteckkühlkörper aus Strangprofil als komplette Einheit mit einer Klemmhalterung oder als Stanz-Biegeteil mit integrierter Federklammer. Sie sind für alle gängigen Gehäusebauformen von TO3 bis TO247 sowie für SIP-Multiwatt erhältlich, als sogenannte Fingerkühlkörper ausgebildet, aus Aluminium- oder Kupferwerkstoff gefertigt und durch die Verbindung der Kühlfahnen mit der integrierten Federklammer ebenfalls gut für eine Vorassemblierung der Bauteile geeignet. Die integrierten Federklammern sind so ausgelegt, dass der Anpressdruck des Bauteils an den Kühlkörper einen guten Wärmeübergang und einen festen Halt des Bauteils sicherstellt. Aufsteckkühlkörper sind für befestigungsfreies Aufstecken sowie für die horizontale und vertikale Leiterplattenmontage verfügbar. Bei ihnen wurde neben der guten Wärmeableitung durch moderne Kühlkörpergeometrie auch Wert auf gute Lötbarkeit gelegt. Beschichtungen aus Reinzinn sorgen trotz der Verwendung moderner, nicht oder nur wenig aktivierter feststoffarmer Flussmittel sowohl bei Wellen- als auch bei Reflowlötung für eine sehr gute Lötfähigkeit. Trotz hochintegrierter Schaltkreise und SMT-Bauteile werden für spezielle Anwendungen weiterhin elektronische Bauelemente mit zylinderförmiger Geometrie und den Gehäusebezeichnungen TO5, TO18 und TO92 eingesetzt. Die Entwärmung dieser Bauteile ist immer dann eine Herausforderung, wenn sich die abzuleitende thermische Verlustleistung nicht ohne zusätzlichen Aufwand realisieren lässt. Eine einfache und effektive Methode ist hier zum Beispiel die Verwendung von so genannten Kühlsternen, Kleinkühlkörpern aus geformtem Aluminium, Kupfer oder Spezialbronze, die direkt auf das Bauteil aufgedrückt werden und durch Presssitz sowohl guten thermischen Kontakt als auch die mechanische Verbindung gewährleisten.
Lüfteraggregate führen viel Wärme pro Volumeneinheit ab
Für die Ableitung größerer Wärmemengen auf kleinem Raum sind so genannte Lüfteraggregate sinnvoll, da durch die Verwendung starker Luftströmungen bedeutend mehr Wärme pro Volumeneinheit abgeleitet werden kann als bei freier Konvektion.
Es gibt mittlerweile kleinformatige Lüfteraggregate mit 30 mm × 30 mm und 40 mm × 40mm im Querschnitt. Der kompakte Aufbau mit innen liegender Wärmetauscherstruktur erlaubt eine homogene Wärmeableitung. Montierte axiale Lüftermotoren haben einen relativ hohen Luftdurchsatz bei großem Druck, um auch längere Kühlstrecken zu überbrücken. Die Bauteile werden entweder geschraubt oder geklammert, wobei die Klammern in vorhandene Nute einrasten. Zusätzliche Gewindebefestigungslöcher sind rundum auf allen Flächen möglich. Im Bereich der oberflächenmontierten elektronischen Bauteile werden vermehrt die Gehäuseformen der Reihen D PAK (TO252), D²PAK (TO263), D³PAK (TO268) und LFPAK (SOT 669) eingesetzt. Im Vergleich zu D PAK sind die Gehäuseformen LFPAK (Loss-Free Package) – ausgehend von einem ursprünglichen Power-MOSFET-Design für DC/DC-Wandler – kleiner und bieten eine bessere Leistung. Auf diese Baugrößen abgestimmte Kühlkörper sind besonders geeignet für die Bauformen SOT 669, SO IC-8 FL MP sowie für viele Power-SO-Typen und SO-8. Passend zu diesen Gehäusetypen sind oberflächenmontierte Kühlkörper für eine indirekte Wärmeableitung erforderlich, da der Kühlkörper keinen direkten Kontakt zum Bauteil hat. Kupferkühlkörper mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit und einer speziellen Geometrie ermöglichen in Verbindung mit einer lötfähigen Oberfläche eine direkte Lötmontage auf der Leiterkarte.Der Kühlkörper wird dabei auf eine auf der Leiterkarte vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche aufgelötet, wobei die Verlustwärme von diesem Kühlkörper an die Umgebungsluft abgeführt wird. Die Gestaltung dieser Wärmespreizfläche kann relativ frei erfolgen, da keinerlei Bohrungen in der Leiterkarte benötigt werden. Kühlkörper für Mikrocontroller, SoCs (System on Chips) und dergleichen mehr sind nicht nur im Embedded-Bereich vertreten. Grundsätzlich sind hier Kühlkörper angebracht, die auf den jeweiligen Chip aufgesetzt werden. Neben den bekannten Pin-Grid-Arrays und Ball-Grid-Arrays müssen zunehmend auch TQFPs und ähnliche Gehäuseformen entwärmt werden. Hier eignen sich kleine Strangprofilkühlkörper, auch als SMD-Kühlkörper bekannt, oder sogenannte Pin-Fin- und Stiftkühlkörper. Letztere sind kompakte Kühlkörper, gefertigt mit einer besonderen Anordnung und Anzahl der Stifte und ausgelegt für einen optimalen Luftdurchsatz. Aufgrund der Materialeigenschaften, Geometrie und Struktur sind diese Stiftkühlkörper sehr leistungsfähig in der Entwärmung elektronischer Bauelemente – bei freier, besonders aber bei erzwungener Konvektion. Die Gründe hierfür sind das verwendete Aluminium (Al99,5) mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit (>220 W/mK) und die homogene Materialanordnung und Gefügestruktur in Wärmeflussrichtung, die eine zeitlich schnelle und gleichmäßige Wärmeverteilung in der Basis und in den Rippen ergibt. Diese Stiftkühlkörper haben somit im Vergleich zu gleich großen Stiftkühlkörpern aus Strangpressprofilen oder Aluminiumdruckguss trotz des geringeren Gewichts eine deutlich bessere Wärmeableitung. Die Stiftkühlkörper werden an den zu entwärmenden Bauteilen mit Wärmeleitkleber, wärmeleitenden Klebefolien oder speziellen Klammern befestigt.
Thermisches Management ist ein Muss für intelligentes Leiterplattendesign
Die dargestellten Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter, Arrays und ICs geben einen guten Überblick über die derzeitigen technischen Möglichkeiten. Es ist ein Trend zu höherer Integration, kleineren Gehäusen mit höherer Leistungsdichte sowie zu SMD-Bauelementen und damit kleineren Leiterkarten erkennbar. Die Auswahl eines geeigneten Kühlkonzeptes ist ausschlaggebend für die technisch einwandfreie und kostengünstige Entwärmung elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte. Anwender müssen daher neben intelligenter Leiterplattengestaltung, effektiven Schaltungskonzepten und sinnvoller Bauteileauswahl auch das thermische Management einbeziehen. Dabei ist es vorteilhaft, schon in der Konzeptionierungsphase geeignete Kühlkörper anhand bekannter Entwärmungsmöglichkeiten mit Unterstützung durch numerische Simulation und Praxistests in der Applikation auszwählen.Dieser Beitrag als PDF und weiterführende Informationen (ähnliche Beiträge, technische Daten, Direktlinks zum Hersteller etc.) sind online verfügbar auf www.EuE24.net
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