Entwärmung: Durch richtige Kühlkörper Ausfallraten senken

Anbieter zum Thema

Beta LAYOUT GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Fischer Elektronik GmbH & Co. KG

Besonderheiten bei der Entwärmung von SMD-Bauteilen

Bei SMD-Bauteilen (Surface-mounted device) sind die vom Hersteller angegebenen Top- und Bottom-Wärmewiderstände entscheidend dafür, in welche Richtung die Wärme vom Bauteil abgeleitet wird. Bei der Angabe des Top-Wärmewiederstandes wird die Wärme über das Gehäuse an die Umgebung abgegeben.

Bildergalerie

Im Gegensatz dazu wird die Wärme bei der Angabe des Bottom-Wärmewiderstandes in Richtung der Leiterplatte abgegeben. In der Regel wird hier der Wert (Wärmewiderstand R_{th Junction–Soldering Point} [K/W]) angegeben, der sich auf den Wärmepfad zwischen dem Punkt, an dem die Wärme entsteht, der Junction, und dem Punkt, an dem das Bauteil angelötet wird, bezieht.

Über die Lötstelle wird die Wärme an die Leiterplatte abgegeben. In diesem Fall ist es wichtig, die Leiterplatte in das Entwärmungskonzept einzubeziehen. Multilayer-Leiterplatten sind aus Schichten aus verpresstem Glasfasergewebe und Kunstharzen mit aufgebrachten Kupferschichten aufgebaut.

Die Kupferschichten dienen nicht nur der elektrischen Leitung sondern auch der Wärmespreizung. Die Wärme wird vom Bauteil weg zu Bereichen geleitet, in denen ein größeres Platzangebot für Kühlkörper besteht. In diesen Bereichen können Kühlkörper zur Oberflächenvergrößerung direkt auf der Leiterplatte aufgelötet werden.

Kühlkörper: Varianten und Bestückung im Überblick

Verzinnte Kühlkörper werden über Bestückungsautomaten mit Hilfe von Blistergurten auf Rolle (Tape and Reel) direkt bei der Bestückung auf der Leiterplatte platziert. Über verschiedene Lötverfahren, wie beispielsweise das Reflow-Löten oder das Wellenlötverfahren, werden die Kühlkörper mit den anderen Bauteilen direkt verlötet.

Bei der Platzierung von Kühlkörpern, die oben Rippen haben, kann es zu Schwierigkeiten bei der Bestückung kommen. Dazu werden vom Kühlkörperhersteller Bestückungshilfen auf dem Kühlkörper angebracht. So können die Kühlkörper vom Bestückungsautomaten angesaugt und präzise auf der Leiterplatte platziert werden.

Bei Bauteilen, die Wärme an das Gehäuse abgeben, werden die Kühlelemente direkt auf dem Bauteil angebracht. Die Bauteile werden auf die Leiterplatte gelötet und anschließend kann der Kühlkörper über verschiedene Verfahren angebracht werden. Das Aufkleben von kleinen stranggepressten Kühlkörpern wird oft bei der SMD-Technik angewandt.

Bei THT-Bauteilen (Through-hole technology) werden Aufsteckkühlkörper verwendet, die direkt auf dem Bauteil aufgebracht werden. Kühlkörper für Einrast-Transistorhaltefedern sind eine Möglichkeit bei einem größeren Platzangebot auf der Leiterplatte (Bild 2). Um die hohe Masse der Kühlkörper abzustützen, haben viele Kühlkörper eine Lötfahne, mit der die Kühlkörper zusätzlich in die Leiterplatte eingelötet werden. So wird die Stabilität bei geringen Vibrationen und kleinen Erschütterungen gewährleistet.

Besonderheiten des Wärmemanagements bei geschlossenen Systemen

In geschlossenen Systemen ist es oft schwierig, die Wärme an die Umgebung abzuführen. Aus diesem Grund muss jede zur Verfügung stehende Fläche für die Entwärmung genutzt werden. Gehäusehersteller haben dieses Problem erkannt und gehen immer mehr dazu über, Gehäuse mit integrierten Kühlrippen zu entwickeln (Bild 3).

Bei der Variante mit integrierten Kühlrippen kann die entstehende Wärme direkt über das Gehäuse an die Umgebung abgeführt werden. Dabei ist die Anbindung an die Kühlflächen sehr wichtig und sollte sorgfältig erfolgen.

Das gesamte Entwärmungskonzept muss vor einer Serienfertigung immer überprüft werden, damit es im Anwendungsfall nicht zu Ausfällen kommt. Das erfolgt heute über computergestützte Wärmesimulationen. Im Gegensatz zum früheren physikalischen Aufbau der Systeme können 3D-Modelle in die Simulation eingespeist und überprüft werden (Bild 3).

Bei Schwachstellen im Wärmemanagement fallen bei der Wärmesimulation der Änderungsaufwand und somit auch letztendlich die Kosten wesentlich geringer aus. Auf einen finalen physikalischen Aufbau Ihres Entwärmungskonzepts sollten Sie dennoch nicht verzichten.

* Dipl.-Ing. (FH) Jeannine Schmidt ist als Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

(ID:45372897)