Schwerpunkte

Fingerkühlkörper

Rezepte gegen den Hitzetod

08. Januar 2020, 15:18 Uhr   |  Jürgen Harpain

Rezepte gegen den Hitzetod
© shutterstock

Immer häufiger werden Leistungshalbleiter nicht mehr separiert von Ansteuerung und Signalverarbeitung positioniert, sondern direkt auf der Leiterkarte. Die Verlustwärme dieser Bauelemente ist durchaus nicht unbedeutend und erfordert daher effiziente Konzepte der Entwärmung.

Die Anpassungen neuerer Bauformen der Halbleiter, besonders an den SMT-Aufbau (Surface-mount Technology) der gesamten Leiterkarte, erschweren die Entwärmungsmöglichkeiten erheblich. Die bekannten Entwärmungskonzepte sind die traditionell verwendeten Kühlkörper, welche an den elektronischen Bauelementen befestigt sind und diese gezielt entwärmen. Neuere Entwicklungen bei elektronischen Bauteilen erfordern eine intensive Beschäftigung mit dem Thema Entwärmung. Immer häufiger sind bei komplexen Schaltungen neben den digitalen und analogen Schaltungen auch Leistungsteile auf den Leiterkarten vorhanden. Die gezielte Entwärmung unterschiedlicher Leistungsgrößen und die Vielfalt der verwendeten Gehäusebauformen benötigen immer mehr Kühlkörpervarianten.

Neue Konzepte für eine sichere Entwärmung auf der Leiterkarte einhergehend mit einer einfachen, sicheren und schnellen Montage sind gefordert. Die vorhandenen Kühlkörperkonzepte sind daher in der letzten Zeit diesen Erfordernissen des Marktes angepasst worden und haben zu einem Innovationsschub mit guten und praktikablen Lösungen geführt. Die Verwendung von Kühlkörpern auf der Leiterkarte ist vielfach notwendig, aber bei den Anwendern häufig aus Platzgründen nicht gerne gesehen. Dem gegenüber ist allerdings ein Leiterkartenaufbau mit Verteilung und Weiterleitung der Wärme, mittels wärmeleitenden »Thermal Vias« oder »Thermal Inlays« an metallische Zwischen- oder Außenlagen, sogar die Verwendung von Flüssigkeitskühlkanälen, eine aufwendige und damit teure Entwärmungslösung.

Das thermische Management für eine Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte geht von der Überlegung aus, dass einzelne oder Gruppen von elektronischen Bauteilen, wie Transistoren oder ICs gezielt entwärmt werden und damit ein sicheres und kostengünstiges Entwärmungsverfahren umgesetzt wird.

Dem Baby einen Namen geben

Als Synonym für das Wort Fingerkühlkörper hat sich in der Fachwelt der Begriff „Board Level“-Kühlkörper manifestiert. Die Entwärmung elektronischer Bauteile mittels Fingerkühlkörper (Bild 1) erfolgt durch eine direkte Kontaktierung mit dem zu entwärmenden Bauteil. Passende auf das Bauteil abgestimmte Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen, für alle gängigen Transistorbauformen angefangen von TO 220 bis TO 247 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, ermöglichen auf kleinstem Einbauraum gute Möglichkeiten der Entwärmung.

Bild 1: Verschiedenartige Fingerkühlkörper ermöglichen eine gezielte Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte.
© Fischer Elektronik

Bild 1: Verschiedenartige Fingerkühlkörper ermöglichen eine gezielte Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte.

Die Produktgruppe der Board-Level-Kühlkörper beinhaltet gleichfalls Klein- und Aufsteckkühlkörper für verschiedene Transistorbauformen. Die unterschiedlichen Fingerkühlkörper liefern zum einen die vom Kunden oftmals geforderte Kompaktheit und zum anderen für eine effiziente Entwärmung die bestmögliche Oberflächengröße per Volumen. Der prinzipielle Aufbau von Fingerkühlkörpern besteht aus einer Grundplatte, welche gleichzeitig die Bauteilauflagefläche darstellt. Von dieser Basisplatte stehen einzelne Fahnen (Finger) in gerader oder abgewinkelter Form ab, wodurch die Kühlkörpergeometrie entsteht und dem Produkt seinem Namen verliehen wird.

Bild 2: Im Fingerkühlkörper integrierte Klammerbefestigungen gewährleisten eine schnelle und sichere Halbleitermontage mit festem Halt.
© Fischer Elektronik

Bild 2: Im Fingerkühlkörper integrierte Klammerbefestigungen gewährleisten eine schnelle und sichere Halbleitermontage mit festem Halt.

Eine wärmetechnische optimale Verbindung mit dem zu entwärmenden Bauteil erfolgt mittels einer in der Geometrie des Fingerkühlkörpers integrierten Klammerbefestigung – sogenannte Aufsteckkühlkörper (Bild 2), des Weiteren durch integrierte Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern. Eine horizontale oder vertikale Befestigung der verschiedenen Transistorbauformen auf dem Kühlkörper ist gleichfalls für alle Befestigungsmethoden gegeben. Bereits durch den Fertigungsprozess integrierte Federklammergeometrien, wie auch die einzelnen auf das Bauteil abgestimmten Transistorhaltefedern, gewährleisten durch ihren hohen Anpressdruck einen guten Wärmeübergang zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Fingerkühlkörper. Darüber hinaus garantieren diese Befestigungsarten eine einfache und schnelle Montage mit sicherem halt des Bauteils.

Auf der Leiterkarte werden die Fingerkühlkörper durch im Fertigungsprozess integrierte oder extra angepresste Lötstifte befestigt und zusätzlich mechanisch stabilisiert. Hierfür stehen Varianten für eine horizontale, aber auch vertikale Einlötbefestigung zur Verfügung. Schwarz eloxierte Board Level Kühlkörper bringen in Punkto Wärmeableitung einige Vorteile mit sich und besitzen angecrimpte Lötstifte. Andere Ausführungen besitzen eine lötfähige Oberflächenbeschichtung gemäß der EU-Richtlinie RoHS. Beschichtungen aus Reinzinn sind schon seit vielen Jahren weit verbreitet, wobei trotz der Verwendung von modernen, nicht oder nur wenig aktivierten, feststoffarmen Flussmitteln, eine hervorragende Lötfähigkeit sowohl bei einer Wellen- als auch Reflowlötung gegeben ist.

In der Produktgruppe der Board-Level-Kühlkörper müssen noch die bereits genannten Kleinkühlkörper erwähnt werden. Diese sind besonders für den Einsatz zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen mit einer zylinderförmigen Bauform geeignet. Bauelemente mit zylindrischer Geometrie, wie TO-5-, TO-18-, TO-92-Transistoren und weitere, werden trotz hochintegrierter Schaltkreise und SMT-Bauteile für spezielle Anwendungen weiterhin eingesetzt. Die Entwärmung dieser Bauteile ist immer dann eine Herausforderung, wenn die abzuleitende thermische Verlustleistung ohne einen zusätzlichen Aufwand nicht realisiert werden kann.

Eine einfache und effektive Methode der Wärmeableitung dieser zylindrischen Bauelemente sind die so genannten Kühlsterne. Diese aus Aluminium, Kupfer oder speziellen Bronze gefertigten Kühlkörper, werden direkt von oben auf das Bauteil gedrückt und gewährleisten durch den auf das Bauteil abgestimmten Presssitz sowohl einen guten thermischen Kontakt, als auch eine mechanisch stabile Verbindung.

Surface Mount Technology (SMT)

Die Abkürzung SMD, auf Deutsch oberflächenmontiertes Bauelement, ist ein häufig vorkommender Fachbegriff aus der Elektronik. SMD-Bauelemente haben im Gegensatz zu den bedrahteten Bauelementen zur Durchsteckmontage in der Leiterkarte (Through Hole Technology, THT), lötfähige Anschlussflächen, wodurch SMD-Bauteile direkt auf die Leiterkarte aufgelötet werden können. Die dazugehörige Technik ist die Oberflächenmontage, welche als Surface Mount Technology (SMT) bezeichnet wird. Im Bereich der oberflächenmontierten elektronischen Bauteile werden vermehrt die Gehäuseformen der Reihen D PAK (TO 252), D2 PAK (TO 263) und D3 PAK (TO268) sowie LFPAK (SOT 669) eingesetzt. Ausgehend von einem ursprünglichen Power-MOSFET-Design für DC/DC-Wandler, sind die Gehäusebauformen LFPAK (Loss Free Package) von geringerer Baugröße als die Baureihe D PAK (Decawat Package) und haben darüber hinaus eine bessere Performance.

Bild 3: Spezielle Kühlkörpergeometrien aus Kupfer eignen sich besonders zur Entwärmung von modernen Transistorkonzeptionen wie z. B. D-PAK-Gehäusen.
© Fischer Elektronik

Bild 3: Spezielle Kühlkörpergeometrien aus Kupfer eignen sich besonders zur Entwärmung von modernen Transistorkonzeptionen wie D-PAK-Gehäusen.

Passend zu diesen Gehäusetypen sind daher für eine gezielte Entwärmung oberflächenmontierte Kühlkörper für eine indirekte Wärmeableitung erforderlich, da der Kühlkörper keinen direkten Kontakt zum Bauteil hat. Bauteile der genannten Baureihen besitzen auf der Unterseite einen sogenannten »Heat slug«, wo die abzuführende Verlustwärme entsteht. Der Wärmeeintrag erfolgt also direkt in die Leiterkarte und wird von dort über einen angepassten Kühlkörper mit spezieller Formgebung (Bild 3) aufgenommen.

Die technische Abfolge der Entwärmung ist die, dass der Kühlkörper auf eine auf der Leiterkarte vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche aufgelötet wird, die entstehende Verlustwärme aufnimmt und diese mittels der freien Konvektion an die Umgebungsluft ableitet. Die Gestaltung der genannten Wärmespreizfläche 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 auf einer Spule als Tape & Reel (Bild 3), wie ein sonstiges SMT-Bauteil verarbeitet und behandelt werden kann.

SMD-Kühlkörper für die Leiterplatte

Eine weitere Leistungssteigerung zur Entwärmung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterkarte bieten SMD-Kühlkörper (Bild 4). Diese werden im Strangpressverfahren hergestellt und liefern ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit, in Relation zum Wärmeableitvermögen. SMD-Kühlkörper sind in ihrer Geometrie und ihrem Gewicht für die Oberflächenmontage auf Leiterkarten angepasst. Das geringe Eigengewicht der SMD-Kühlkörper erlaubt eine direkte Montage auf der Bauteiloberfläche, ohne die Verlötung des Bauteils auf der Leiterkarte durch mechanischen Stress zu beschädigen.

Bild 4: Angepasste SMD-Kühlkörper, auch in Verbindung mit besonderen Verpackungsformen, finden Anwendung zur Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen auf der Leiterkarte.
© Fischer Elektronik

Bild 4: Angepasste SMD-Kühlkörper, auch in Verbindung mit besonderen Verpackungsformen, finden Anwendung zur Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen auf der Leiterkarte.

Als Montagemittel stehen doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder 2-komponentige Epoxidharzwärmeleitkleber zur Verfügung. Die Auswahl der richtigen Klebverbindung richtet sich stets nach der Applikationsumgebung. Bei fachgerechter Anwendung und Reinigung der zu verklebenden Bauteile dienen die genannten Wärmeleitmaterialien als vollständiger Ersatz einer mechanischen Verbindung. Für eine Klebverbindung besitzen SMD-Kühlkörper eine schwarz eloxierte Oberfläche, welches in Punkto der Wärmeableitung einige thermische Vorteile mit sich bringt.

Gleichfalls besteht die Möglichkeit, SMD-Kühlkörper komplett mit einer lötfähigen Beschichtung zu versehen. Hierdurch lassen sich die Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte, genauer gesagt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, welche mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufbringen. Der Kühlkörper nimmt die vom Bauteil an die Wärmespreizfläche weitergeleitete Verlustwärme auf und leitet diese an die Umgebung ab. Aufgrund standardmäßiger Verpackungsformen, wie Tape & Reel (Bild 4), ist der SMD-Kühlkörper wie ein elektronisches Bauteil während des Bestückungsprozesses zu integrieren.    sd

Jürgen Harpain Dipl. Physik Ing. hat im Fachbereich der physikalischen Technik studiert und ist heute im Hause Fischer Elektronik in Lüdenscheid als Entwicklungsleiter für die Produktbereiche Thermische Management, Gehäuse und 19“ Technik sowie Steck
© Fischer Elektronik

Jürgen Harpain Dipl. Physik Ing. hat im Fachbereich der physikalischen Technik studiert und ist heute im Hause Fischer Elektronik in Lüdenscheid als Entwicklungsleiter für die Produktbereiche Thermische Management, Gehäuse und 19“ Technik sowie Steckverbinder rund um die Leiterkarte tätig und verantwortlich. J.Harpain@fischerelektronik.de

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Wohin mit der heißen Luft?
Rückenwind für Leiterplattensteckverbinder
Rasanter Wandel in der Beleuchtungstechnik

Verwandte Artikel

Fischer Electronics, Fischer Elektronik GmbH & Co. KG