Kühlkörper auf der Leiterkarte
Befestigungskonzepte: Wann welche Technik?
Die Wahl des geeigneten Befestigungskonzepts hängt maßgeblich von Bauteiltyp, Verlustleistung, Einbausituation und mechanischen Anforderungen ab.
Für diskrete Leistungshalbleiter wie TO-220 bis TO-247 eignen sich Aufsteckkühlkörper als einfache und kosteneffiziente Lösung. Diese meist aus Aluminium- oder Kupferband gefertigten Kühlkörper werden direkt auf das Bauteil aufgeschoben. Integrierte Federklammern erzeugen den erforderlichen Anpressdruck und sorgen für einen guten thermischen Kontakt zwischen Halbleiter und Kühlkörper.
Alternativ stehen Varianten mit Schraubbefestigung oder speziellen Haltefedern zur Verfügung. Je nach Einbaulage lassen sich die Bauteile horizontal oder vertikal montieren. Die mechanische Verbindung zur Leiterkarte erfolgt häufig über integrierte Lötstifte. Diese können – abhängig von der Einbaulage – gerade oder abgewinkelt ausgeführt sein und sorgen für die mechanische Stabilisierung durch Verlötung.
Werden Kühlkörper direkt in die Leiterkarte eingelötet, ist eine lötfähige Oberflächenbeschichtung erforderlich. Solche Lösungen eignen sich insbesondere dann, wenn kompakte und montagefreundliche Kühlkonzepte gefragt sind. Alternativ können schwarz eloxierte Kühlkörper mit separat eingepressten Lötstiften kombiniert werden. Die dunkle Oberfläche verbessert darüber hinaus die Wärmeabstrahlung.
Strangpressprofile bieten bei höheren Verlustleistungen mehr Kühlfläche und lassen sich über Löt- oder Schraubverbindungen mechanisch sicher befestigen.
Strangpressprofile für höhere Verlustleistungen
Steigen die Verlustleistungen, stoßen einfache Blechlösungen an ihre Grenzen. Kleine Strangpressprofile bieten durch ihre größere Oberfläche und optimierte Geometrie eine höhere thermische Leistungsfähigkeit. Die Befestigung auf der Leiterkarte erfolgt über eingepresste Lötstifte oder Schraubverbindungen. Letztere eignen sich für mechanisch anspruchsvolle oder vibrationsbelastete Anwendungen, etwa in der Bahntechnik. Hier bleibt die mechanische Stabilität auch erhalten, wenn einzelne Lötstellen beschädigt werden. Zur Montage der Leistungshalbleiter auf den Kühlkörpern dienen Schraubverbindungen oder Federklammern.
SMD-Kühlkörper für kompakte Baugruppen
Für kleinere SMD-Bauteile stehen kompakte SMD-Kühlkörper zur Verfügung. Aufgrund ihres geringen Gewichts lassen sie sich direkt mit Wärmeleitfolie oder Wärmeleitkleber auf dem Bauteil befestigen. Voraussetzung dafür sind saubere und fettfreie Kontaktflächen. Alternativ können entsprechend beschichtete SMD-Kühlkörper direkt im Reflow- oder Wellenlötprozess auf dafür vorgesehene Wärmeverteilflächen der Leiterkarte montiert werden. Diese sind häufig über Thermal Vias oder direkt über den Heat-Slug mit dem Bauteil verbunden. Wichtig ist dabei die Dimensionierung: Zu große Kühlkörper entziehen der Lötstelle während des Prozesses zu viel Wärme, sodass keine zuverlässige Verbindung entsteht.
Für die Serienfertigung bieten SMD-Kühlkörper zusätzliche Vorteile, da sie in automatisierungsgerechten Verpackungsformen wie Tape & Reel oder Magazinverpackungen bereitgestellt und wie Standardbauteile im Bestückungsprozess verarbeitet werden können.
