Wärmemanagement

Kleine und starke SMD-Kühlkörper

5. Oktober 2022, 11:30 Uhr | Jürgen Harpain, Fischer Elektronik
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Die Wärmeprobleme auf der Leiterkarte haben sich über die letzten Jahre nicht vermindert. Ein Grund hierfür ist die stetige Miniaturisierung der Bauteile bei gleichzeitig steigender Packungs- und Leistungsdichte. Ein Weg, die Wärmeverluste gezielt abzuführen, sind SMD-Kühlkörper.

Komplexe, auf der Leiterkarte verbaute Funktionsbaugruppen verursachen im Betrieb eine für die Bauteile schädliche Verlustwärme. Läuft es schlecht, beeinträchtigt diese die Bauteile dermaßen, dass sie ihre Spezifikation nicht mehr im vollen Umfang erfüllen. Für den Entwickler bzw. Anwender bedeutet dies im Sinne der Zuverlässigkeit und Lebensdauer eine Funktionsstörung, die einem Ausfall gleichzusetzen ist.

Neben den Bauteilen auf der Leiterkarte schadet die Wärme auch den Lötstellen sowie dem Leiterkartenmaterial selbst. Somit ist es für den Entwickler eine der Hauptaufgaben, kritische Bauteiltemperaturen mittels einer geeigneten Entwärmung auf der Leiterkarte zu vermeiden und die einzelnen Bauelemente innerhalb ihrer vorgeschriebenen Betriebstemperatur zu betreiben. Andernfalls könnten im Extremfall einzelne oder auch mehrere Teile der Funktionsbaugruppe zerstört werden.

Effiziente Entwärmungskonzepte sind daher von zentraler Bedeutung und müssen individuell auf die jeweilige spezifische Applikation sowie deren Temperaturbedingungen der verbauten Bauteile, auf die Umgebungsbedingungen des Gesamtsystems ausgelegt und angepasst werden. Schon in einer frühen Phase beim Design der Leiterkarte ist es nützlich, dass sich Entwickler des Themas Wärmeentwicklung und Wärmemanagement annehmen. Dadurch können sie die Zeit und die Kosten bis zur Markteinführung möglichst gering halten, da nachträgliche Anpassungen und Optimierungen meistens die Kosten und den Aufwand nach oben treiben.

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Möglichkeiten der Entwärmung

Mitunter ist die Leiterkarte bzw. deren Material mit verantwortlich dafür, ein effizientes thermisches Management umzusetzen. Das meistens verwendete und gut bekannte Leiterkartenmaterial FR4 eignet sich oftmals aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit nicht für wärmeintensive Applikationen. Bevorzugt werden dort andere Leiterkartentechnologien eingesetzt, z. B. Dickkupfer- oder Metallkern-Leiterkarten, Letzteres auch als IMS-Leiterkarte (Insulated Metal Substrate) bezeichnet.

Das eigentliche Leiterkartendesign lässt sich ebenfalls mit verschiedenen Technologien zur besseren Wärmeabfuhr ausstatten. Beispielhaft sind hierfür zusätzliche auf der Leiterkarte eingebrachte thermische Durchkontaktierungen (Thermal Via Arrays) zu nennen, die in Form von Via-in-Pad oder Via mit Epoxid gefüllt und mit Kupfer überplatiert (Filled & Capped Vias) Wärme besser abführen. Das Ganze funktioniert allerdings nur bis zu einem gewissen Maße. Sofern alle schaltungstechnischen Maßnahmen und Optimierungen auf der Leiterkarte ausgeschöpft sind, allerdings nicht zum gewünschten wärmetechnischen Erfolg führen, so ist der Einsatz von Kühlkörpern auf der Leiterkarte essenziell und unabdingbar.

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Bild 1: Board-Level-Kühlkörper als Blechbiegeteil mit integrierter Klammerbefestigung und angecrimpten Lötstiften können Bauteile auf einer Leiterkarte effizient entwärmen.
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Der Leiterkartenkühlkörper muss allerdings bei vielen Schaltungs- bzw. Leiterkartendesigns möglichst kompakt gestaltet sein und trotzdem seine Entwärmungsaufgabe erfüllen. Anwenderseitig ist es somit notwendig, für die jeweilige Applikation den geeigneten Kühlkörper auszuwählen und diesen optimal auf den Bauteilen oder direkt auf der Leiterkarte zu platzieren. Fischer Elektronik bietet zur effizienten Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte in Form von »Board-Level-Kühlkörpern« verschiedenartige Kühlkörperarten als Strangpressprofil oder Blechbiegeteil aus Aluminium und Kupfer (Bild 1). Diese sind für verschiedene Bestückungsarten erhältlich, wie die klassische Durchsteck- oder Oberflächenmontage.

SMD-Kühlkörper als Strangpressprofil

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Bild 2: Kleinste SMD-Kühlkörper als Strangpressprofil aus Aluminium gibt es in unterschiedlichen Oberflächenausführungen; sie lassen sich schnell und einfach auf der Leiterkarte montieren.
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Kompakte SMD-Kühlkörper können Bauteile auf der Leiterkarte effizient entwärmen (Bild 2). Sie bestehen aus einer gut wärmeleitenden Aluminiumlegierung und werden im Extrusionsverfahren hergestellt. Die verschiedenartigen Kühlkörpergeometrien sind in puncto Gewicht für eine Montage auf der Bauteiloberfläche oder der Leiterkarte angepasst. Das Thema Gewicht von SMD-Kühlkörpern ist bei der Montage ein wichtiger Punkt, da deren Eigengewicht die Verlötung des Bauteils auf der Leiterkarte nicht durch mechanischen Stress beschädigen darf. Der kleinste im Strangpressverfahren herstellbare SMD-Kühlkörper besitzt eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm2 und ein Gewicht von 0,24 g.

SMD-Kühlkörper sind standardmäßig mit einer schwarz eloxierten oder einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung erhältlich. Schwarz eloxierte SMD-Kühlkörper besitzen einige Vorteile bei der Wärmeableitung und werden direkt auf dem Bauteil mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien oder zweikomponentigen Epoxidharzwärmeleitkleber befestigt (Bild 3). Dabei richtet sich die Auswahl einer geeigneten Klebverbindung stets nach der Anwendungsumgebung und deren Parametern. Bei fachgerechter Anwendung und Reinigung der zu verklebenden Bauteile können die genannten Wärmeleitmaterialien eine mechanische Verbindung vollständig ersetzen.

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Bild 3: Schwarz eloxierte SMD-Kühlkörper bieten Pluspunkte bei der Wärmestrahlung und lassen sich mittels geeigneter Klebematerialien direkt auf dem Bauteil fixieren.
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Als zweite Oberflächenbeschichtung bietet Fischer Elektronik SMD-Kühlkörper mit einer lötfähigen Beschichtung aus Reinzinn auf dem Markt an. Hierdurch lassen sich SMD-Kühlkörper direkt neben dem Bauteil oder sogar an einer anderen Stelle auf der Leiterkarte auflöten, beispielsweise auf einer separaten Kupferanschlussfläche. Die eingesetzten Beschichtungen aus Reinzinn entsprechen schon seit vielen Jahren den Anforderungen heutiger EU-Direktiven (z. B. RoHS) und darüber hinaus mitunter den heutigen Umweltrichtlinien und den Besonderheiten der Elektronikindustrie. SMD-Kühlkörper mit einer aus Reinzinn beschichteten Oberfläche lassen sich wellen- als auch Reflow-löten.

Der Weg der Wärme

Wie bereits erwähnt, werden lötfähige SMD-Kühlkörper oftmals auf einer Wärmespreizfläche (Heat Spreader) aus Kupfer, die mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, auf der Leiterkarte verlötet. Für immer mehr elektronische SMD-Bauteile sind vermehrt die oberflächenmontierbaren Gehäusebauformen der Serie DPAK (TO-252), D2PAK (TO-263), D3PAK (TO-268) sowie LFPAK (SOT-669) im Einsatz. Der Wärmetransport vom Bauteil in die Leiterkarte erfolgt bei diesen Bauelementen allerdings über eine Kühlfahne (Heat Slug) auf der Unterseite des Bauteils, sodass ein Kühlkörper auf der Bauteil­oberseite wärmetechnisch keinen Nutzen bringt (Bild 4). Der Kühlkörper nimmt die vom Bauteil an die Wärmespreizfläche weitergeleitete Verlustwärme auf und leitet diese an die Applikationsumgebung mittels der freien Konvektion ab.

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Bild 4: SMD-Kühlkörper für DPAK-Gehäuse als Blechbiegeteil aus Kupfer lassen sich direkt über dem Bauteil platzieren und mit der Leiterkarte verlöten.
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Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von SMD-Kühlkörpern mit lötfähiger Oberfläche ist, dass Anwender die Wärmetauschfläche auf der Leiterkarte relativ frei selber gestalten können, da keinerlei Bohrungen notwendig sind, um den Kühlkörper auf der Leiterkarte zu fixieren. Durch standardisierte Verpackungsformen, beipielsweise Tape & Reel (Gurt & Spule) oder Stangenmagazine, lassen sich diese Komponenten einfach in den Bestückungs- und Lötprozess der Leiterkarte integrieren, da der SMD-Kühlkörper wie ein sonstiges Bauteil zu behandeln ist. Je nach SMD-Kühlkörper als Strangpressprofil oder Blechbiegeteil, kann Fischer Elektronik die Lage im Gurt, den Spulendurchmesser sowie die Gurtbreite nach individuellen Kundenwünschen anfertigen.

SMD-Kühlkörper zur Entwärmung von elek­tronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, als Strangpressprofil oder als Blechbiegeteil, bieten vielzählige positive Eigenschaften und der Applikation angepasste sowie effiziente Bauteilentwärmung.


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