Kühlkörper-Befestigungen Eine Frage der Verbindung

Ein zentrales Problem für Entwickler ist und bleibt die Ableitung der Verlustwärme von den Chips. Allerdings gibt es ganz verschiedene Möglichkeiten, einen Kühlkörper an die Wärmequelle anzubinden. Worin unterscheiden sie sich? Welche Vor- und Nachteile haben sie jeweils?

Mikroelektronische Schaltkreise werden immer komplexer und bieten immer mehr Rechenleistung. Die dabei erzeugten Verlustleistungen und Methoden zur effektiven Befestigung von Kühlkörpern für eine möglichst effiziente Wärmeableitung bleiben für Entwickler eine zentrale Herausforderung. Obwohl es immer mehr elektronische Bauteile mit geringem Energieverbrauch gibt, bereitet dieses Problem nach wie vor große Sorgen.
Das Problem besteht darin, auf welche Art und Weise man am besten einen Kühlkörper montiert, sodass die Verbindung bei Bedarf lösbar ist und zugleich eine optimale Wärmeableitung (Funktionalität) bieten kann. Zur Ableitung der bei datenverarbeitenden Chips im Betrieb entstehenden Wärme wurden zahlreiche Methoden für die Befestigung von Kühlkörpern an elektronischen Bauteilen entwickelt.
Eine gute Kühlkörperbefestigung muss alle der nachfolgenden Kriterien erfüllen können:

  • Sie muss dauerhaften, gleichmäßigen Kontakt zwischen Kühlkörper und Wärmequelle gewährleisten. 
  • Der Kühlkörper muss abnehmbar sein, um die zu kühlende Elektronik warten zu können. 
  • Das Befestigungselement muss maximale Raumausnutzung erlauben, indem es so wenig Platz 
  • wie möglich zur Befestigung auf der Leiterplatte belegt. 
  • Die vom Befestigungselement selbst eingebrachte mechanische Belastung der Leiterplatte muss so gering wie möglich sein. 
  • Die Befestigung muss in alle Richtungen nachgeben können, um Stoßbelastungen etwa beim Herunterfallen abzufangen. 
  • Das Befestigungselement darf nur ein Minimum an Platz zur Befestigung auf dem Kühlkörper belegen. 

Verschiedene Befestigungsarten

Abhängig von der Größe des benötigten Kühlkörpers gibt es eine breite Auswahl an Befestigungsmethoden. Kleinere Kühlkörper lassen sich in der Regel mit doppelseitigem Klebeband oder Epoxidharz fixieren. Doppelseitiges Klebeband kann isolierend wirken; Epoxidharzkleber sind gut, stellen aber eine dauerhafte Verbindung dar. Aber keine der beiden Methoden ermöglicht ein sauberes Entfernen.
Federklammern sind eine weitere Möglichkeit. Sie bestehen aus speziell in Form gebogenen Drähten und enthalten gegebenenfalls Plastikklammern in unterschiedlicher Form. Diese üben Druck auf den Kühlkörper aus, um damit einen engen Kontakt zur Wärmequelle zu gewährleisten. Dazu befestigt man direkt neben der Wärmequelle auf der Leiterplatte ein Halteelement, meist in einem Lötvorgang. Diese Technik eignet sich gut für kleinere, einfache Kühlkörper, da die Haltekräfte begrenzt sind.
Größere, komplexere und schwerere Kühlkörper zu fixieren erfordert jedoch größere Kräfte. Dabei muss der Entwickler darauf achten, möglichst geringe Kräfte in die Leiterplatte einzuleiten, da diese zu teuren Schäden wie zum Beispiel dem Bruch von elektrischen Leiterbahnen oder einem Ausfall von Bauteilen oder Steckverbindern führen können.
Bei der Handhabung schwererer Kühlkörper nutzt man oft Befestigungselemente mit Federn, um die Belastung zu begrenzen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz einer einfachen, von einer Feder umgebenen Passschraube, die durch den Kühlkörper hindurch geführt wird und die Feder mit einer definierten Kraft auf die Oberseite des Kühlkörpers presst. Die Passschraube wird mit einer Mutter auf der anderen Seite der Leiterplatte befestigt. Dieses Verfahren erlaubt aber ein zu starkes oder zu schwaches Festziehen, sodass ein falscher Anpressdruck die Wärmeübertragung beeinträchtigen kann.
Ein anderes Befestigungskonzept nutzt einen Schnappmechanismus anstelle eines Gewindes am Passbolzen. Der Schnappmechanismus wird durch eine Bohrung in der Leiterplatte gepresst. Solche Befestigungselemente mit Bolzen und Feder eignen sich für die Befestigung flacher Heat-Pipes oder Kühlkörper bei Laptop-Rechnern mit begrenztem Platzangebot, sie verringern aber den Platz für Leiterbahnen auf der Leiterplatte. Darüber hinaus ist die Klemmkraft begrenzt, da diese kleiner sein muss als die Ausziehkraft.

Keine Schäden durch zu starkes Festziehen

Eine neue Lösung für solche Befestigungsprobleme hat Penn Engineering entwickelt. Sie besteht aus drei Teilen: einer selbstzentrierenden Schraube mit Feder, die in einer Einpress- oder oberflächenmontierten Mutter (SMT) in der Leiterplatte befestigt wird (Bild 1). Die Lösung vermeidet Schäden durch zu starkes Festziehen, liefert jedoch eine genau dimensionierte Klemmkraft. Da sie zudem auf der Technik unverlierbarer Bauteile beruht, kann sie herkömmliche lose Bauteile ersetzen und damit das Risiko fehlender, falsch platzierter oder verlorener Komponenten eliminieren.
Der drehbare Einpressstift besteht aus einer Schraube, die in einem Trägerelement »eingefangen« wird, das in ein Stanz- oder Bohrloch eingepresst wird. Die Schraube kann sich frei drehen und an der Verjüngung vertikal bewegen. Eine neu entwickelte Version dieser Schraube besitzt eine Schulter, die eine Feder fixiert und zentriert, und damit eine vordefinierte Anpresskraft zwischen Trägerelement und Kühlkörper einbringen kann.
Ein hörbares Klickgeräusch signalisiert, dass die Schraube voll eingerastet und damit die Installation abgeschlossen ist.

Die Schraube lässt sich weiterdrehen, greift aber nicht mehr im Gewinde und lässt sich damit nicht mehr weiter anziehen (Bild 2). Damit wird ein zu starkes Festziehen verhindert. Die von der Feder erzeugte definierte Kraft gewährleistet eine zuverlässige und wiederholbare Klemmkraft für Bauteile auf der Leiterplatte.
Diese Konfiguration gewährleistet, dass der Kühlkörper durch die vorgespannten Federn auf den Schrauben an jedem Befestigungspunkt gleichmäßig mit einer vordefinierten Klemmkraft belastet wird. 
Dieses dreiteilige Befestigungssystem kann auch die Anzahl der Montagebauteile sowie die anfallenden Gesamtmontagekosten (Verbindungselemente und Montagezeit) für die Installation verringern, die bei einer typischen Befestigung mit Bolzen und Feder anfallen, und ermöglicht zudem eine wiederholbare, zuverlässige Befestigung. 
Penn Engineering bietet Kunden über einen weltweiten Custom-Design-Service die Entwicklung von Befestigungselementen nach Kundenspezifikation in Bezug auf Gewindemaß, Länge, Federsteigung, Mitnehmerform und Material.