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Entwärmungskonzepte für die Leiterkarte

Verlustleistung gezielt abführen

24. Februar 2022, 10:00 Uhr | Jürgen Harpain, Fischer Elektronik

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SMD-Kühlkörper

Die als SMD-Kühlkörper bezeichneten Ausführungen entwärmen vornehmlich SMD-Bauteile auf der Leiterkarte und sind standardmäßig mit einer schwarz eloxierten oder einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung erhältlich (Bild 2).

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Aufgrund des angepassten und sehr geringen Gewichts können die eloxierten Varianten direkt auf das zu entwärmende Bauteil mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien auf Basis von Polyimid oder Wärmeleit- klebern aus Zweikomponenten-Epoxidharz aufgebracht und fixiert werden. Diese Befestigungsmethode auf dem Bauteil ist vielfach erprobt und eingesetzt, sie dient bei fachgerechter Anwendung sowie Reinigung der zu verklebenden Komponenten als vollständiger Ersatz für eine mechanischen Verbindung.

Eine zweite Befestigungsmethode der SMD-Kühlkörper auf der Leiterkarte ist durch eine lötfähige und RoHS- konforme Oberflächenbeschichtung der Kühlkörper gegeben. Hierdurch kann die jeweilige gewählte Kühlkörperlösung auf eine auf der Leiterplatte vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, die mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren befestigt werden.

Ein weiterer echter Mehrwert von SMD-Kühlkörpern ist durch deren Handhabung gegeben. Der kleinste SMD-Kühlkörper hat gerade einmal eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm2 bei einem Gewicht von 0,24 g, wodurch dieser bei der Leiterkartenbestückung wie ein zu bestückendes Bauteil verarbeitet werden kann, da SMD-Kühlkörper gleichfalls in der Verpackungsart Tape & Reel erhältlich sind.

SMD-bestückte Bauteile, z. B. DPAK-Bauformen, besitzen auf der Unterseite einen sogenannten Heat-Slug, über den die Wärme an die Wärmespreizfläche aus Kupfer weitergeleitet, über den Kühlkörper aufgenommen und an die Umgebung abgegeben wird.

Oberflächenmontierte Transistorbauformen, beispielsweise DPAK (TO-252), D2PAK (TO-263), D3PAK (TO-268) sowie LFPAK (SOT-669), erfordern eine besondere Art und Weise der Entwärmung. Weil diese ihre Verlustwärme auf der Bauteilunterseite an die Leiterkarte abgeben, wäre ein SMD-Kühlkörper auf der Oberseite des Bauteils wirkungslos.

Der thermische Pfad beginnt auf der Unterseite des Bauteils, wo die Wärme an die Leiterkarte abgegeben, von einem Kühlkörper aufgenommen und mittels der freien Konvektion an die Umgebungsluft abgeleitet wird. Hierfür bieten kompakte und speziell angefertigte Board-Level-Kühlkörper aus Kupfer als Blechbiegeteil eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und lassen sich aufgrund einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung direkt auf der Leiterkarte auflöten (Bild 3). Die Gestaltung der benötigten Wärmetauschfläche auf der Leiterkarte zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper kann frei erfolgen, da keinerlei Bohrungen zum Bauteil nötig sind. Darüber hinaus lassen sich diese speziellen Kühlkörperformen mittels Gurtware als Tape & Reel sehr einfach in den Bestückungs- und Lötprozess der Leiterkarte integrieren.

Bei größeren Wärmemengen

Steigt die benötigte Wärmeabfuhr der elektronischen Bauteile auf der Leiterkarte, so müssen auch die Kühlkörper eine größere Wärmetauschfläche aufweisen. Mithilfe von Leiterplattenkühlkörpern lassen sich Transistoren oder ICs auf der Leiterkarte gezielt und angepasst entwärmen (Bild 4). Diese werden im Strangpressverfahren als Extrusionsprofil aus Aluminium hergestellt und gehören gleichfalls zur Produktgruppe der Board-Level-Kühlkörper. Leiterplattenkühlkörper und deren zahlreiche positive Eigenschaften liefern aus thermischer und montagetechnischer Sicht eine optimale Lösung der Entwärmung von Bauteilen.

Über ein oder mehrere Stifte, deren Oberfläche lötfähig beschichtet ist, wird der Kühlkörper auf der Leiterkarte montiert. Diese sind als Spann- oder Vollstifte ausgeführt und fest im Kühlkörper eingepresst. Speziell geformte und toleranzmäßig angepasste Einpressgeometrien gewährleisten einen festen und sicheren Halt der Lötstifte im Kühlkörper. Neben den Ausführungen mit integrierten Lötstiften besteht zusätzlich die Möglichkeit, Leiterplatten-Strangkühlkörper mit einer speziellen Schraubbefestigung zu versehen. Hierbei wird anstelle des Lötstiftes ein massiver Messingbolzen mit einseitigem M3-Gewinde fest in den Kühlkörper bzw. in die dafür vorgesehene Geometrie eingepresst. Nach der Durchsteckmontage wird der Kühlkörper dann auf der anderen Seite der Leiterkarte mittels einer Gegenmutter befestigt. Diese Befestigungsart ist besonders angebracht bei vibrationsreichen Anwendungen, beispielsweise in der Bahntechnik. Die Gefahr, dass durch eine gebrochene Lötstelle der mechanische Halt verloren geht, besteht hierbei nicht.

Die jeweilige Rippengeometrie des Kühlkörpers ist wärmetechnisch optimal auf das Wirkprinzip der freien Konvektion ausgelegt. Vertikale oder horizontale Einbaulagen der Leiterplattenkühlkörper auf der Leiterkarte sind durch verschiedenartige Ausführungen und Varianten gegeben. Die liegende oder stehende Befestigung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper erfolgt unter anderem mittels integrierter Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern.

Bei der Schraubmontage wird der Transistor auf den jeweiligen Kühlkörpertyp aufgesetzt und gleichzeitig mit diesem als eine Einheit verschraubt. Mithilfe unterschiedlicher, jeweils auf die Transistortyp abgestimmten Haltefedern lassen sich fast allen Arten und Größen von Transistorgehäuseformen, wie zum Beispiel TO-220, TO-218, TO-247, diverse SIP-Multiwatt und auch lochlose MAX-Typen, schnell und einfach auf den Kühlkörper montieren. Durch ihren hohen Anpressdruck können die Transistorhaltefedern den Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und dem Kühlelement optimieren und gewährleisten gleichzeitig eine effiziente Montage mit sicherem Halt.

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