Leiterkartenmontierte Kühlkörper Halbleiterbauteile auf der Leiterplatte entwärmen

Neben Ansteuerungs- und Signalverarbeitungselektronik werden immer häufiger Leistungshalbleiter direkt auf der Funktionsleiterkarte aufgebracht. Die nicht unbedeutende Verlustwärme dieser Bauelemente verlangt nach Konzepten einer leistungsfähigen Entwärmung. Auch aktuelle Bauformen der Halbleiter müssen an den SMT-Aufbau der Leiterkarte angepasst werden, welches die Entwärmungsmöglichkeiten deutlich komplexer werden lassen.

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Bei modernen elektronischen Bauteilen ist aufgrund höherer Integration sowie verbesserten Design- und Bestückungskonzepten eine Entwärmung erforderlich.

Die gezielte Entwärmung unterschiedlicher Leistungsgrößen und die Vielfalt der verwendeten Gehäusebauformen machen das zu einer Herausforderung. Diverse hoch integrierte Prozessoren, DC/DC-Wandler, Leistungstransistoren als SMD und IMD benötigen immer mehr und immer diversifiziertere Kühlkörpervarianten. Neue Konzepte für eine sichere Entwärmung auf der Leiterkarte berücksichtigen dabei auch eine einfache, sichere und schnelle Montage des Kühlkörpers.

Bewährte Standards und Neuerungen

Kühlkörper auf der Leiterkarte werden nicht sehr gerne gesehen, jedoch sind sie oft durchaus notwendig. Sie sind im Gegensatz zu Thermal Vias oder Thermal Inlays an metallische Zwischen- oder Außenlagen oder Flüssigkeitskühlkanälen kostengünstig und weniger aufwändig zu implementieren.

Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten IMT (Insertion Mount Technology) und SMT (Surface Mount Technology) gibt es gängige Lösungen für ein passendes thermisches Management.

So sind zum Beispiel so genannten Aufsatzkühlkörper eine gute Lösung für auf der Leiterkarte liegend montierte Transistoren der Baugrößen TO 220 und TO 247. Für die Montage werden die Kühlkörper auf das elektronische Bauteil aufgesetzt und über die Befestigungsbohrung mit dem Transistor alleine oder auch mit diesem zusammen auf der Leiterkarte oder einem sonstigen Träger verschraubt. Bauteil und Kühlkörper lassen sich auch mittels Kleben oder Klammern aneinander befestigen.

Diese Kompaktkühlkörper sind genauso breit wie das Bauteil. Sie können dadurch in ein-, zwei- und mehrfacher Anreihung als einzelne Kühlkörper oder im Verbund mehrerer Kühlkörper eingesetzt werden. Über die metallische Transistor-Befestigungslasche ist der Wärmeübergang vom Transistor zum Kühlkörper gegeben.

Da die stehende Ausführung die gebräuchliche Montageart bei IMT-Bauteilen ist, gibt es hier die größte Auswahl an Standardkühlkörpern. Bevorzugt werden Kühlkörper aus Aluminiumlegierungen gefertigt, da dieser Werkstoff einen guten Kompromiss zwischen Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Bearbeitungsmöglichkeiten darstellt.

Befestigen des Kühlkörpers

Bei allen Kühlkörperarten sind die Befestigungsmöglichkeiten am Halbleiterbauteil und auf der Leiterkarte wesentlich. Schraubmontage als klassische Montage- und Befestigungsart wird immer noch häufig eingesetzt. Hierbei wird das elektronische Bauteil an den Kühlkörper angeschraubt und diese Einheit wird dann auf der Leiterkarte mittels Durchsteck-Schraubverbindung befestigt. Alternativ kann, über im Kühlkörper eingepresste Lötstifte, eine Einsteck-Lötverbindung direkt auf der Leiterkarte erfolgen. Dabei werden beim Löten sowohl das Bauelement als auch der Kühlkörper im gleichen Arbeitsschritt befestigt.

Eine andere, schraublose Methode ist das Verwenden einer Halteklammer, die als Sattelklammer über dem Bauteil in Durchbrüchen im Kühlkörper das Bauteil fixiert. Die Verbindung zur Leiterplatte erfolgt wie in der bereits beschriebenen Montageart. Kühlkörper aus Strangprofil mit so genanntem Profilgewinde sind für Anordnungen oder Gruppen von Transistoren gut geeignet.

Profilgewinde bedeutet, dass hier in Längsrichtung des Strang gepressten Profils versetzt Rillen eingebracht sind, die ähnlich einem Gewinde die Aufnahme von Gewindeschrauben ermöglichen. Allerdings haben diese „Gewinde“ keine normgerechte Steigung, eine solche ist nur nachbildet. Die technische Funktion ist gegeben, die Eignung für die jeweilige Applikation ist zu prüfen. Auch die Unterseite des Kühlkörpers enthält diese Gewinderillen, womit auch hier eine nicht positions- gebundene Durchsteck-Schraubmontage des Kühlkörpers auf der Leiterkarte möglich wird.

Weiter entwickelte Montagetechniken für Klammerbefestigung

Neu entwickelte Varianten diverser Strangprofilkühlkörper enthalten für die Transistormontage eine Nut im Kühlkörperprofil in welche eine spezielle Klammer eingepresst oder eingesetzt wird und dadurch das Bauteil fixiert (Bild 1). Mit dieser Bauart wird eine Vormontage des Transistors mit Kühlkörper möglich. Es sind bereits etliche Profiltypen und unterschiedliche Transistorhaltefedern als Standard vorhanden.

Einzelne, leistungsstarke elektronische Bauteile erfordern vielfach einen großvolumigen Kühlkörper, d.h. dass oftmals ein Extrusionsprofil die beste Wahl darstellt. Die Montage eines derartigen Kühlkörpers auf der Leiterkarte ist aber oft sehr aufwendig. Daher gibt es Standardversionen extrudierter Kühlkörper mit vertikalem oder horizontalem Rippenverlauf und mit in den Kühlkörper eingepressten Lötstiften.

Neben den genannten Anschraub- und Klammerbefestigungsvarianten haben sich Aufsteckkühlkörper (Bild 2) als besonders geeignet erwiesen. Aus Strangprofil hergestellte, mit einer Klemmhalterung als komplette Einheit oder als Stanz-Biegeteil mit integrierter Federklammer versehen sind diese Kühlkörper für alle gängigen Gehäusebauformen von TO 3 bis TO 247 sowie SIP-Multiwatt passend.

Fast alle Aufsteckkühlkörper sind als so genannte Fingerkühlkörper ausgebildet und entweder aus Aluminium oder Kupfer gefertigt und durch die Verbindung der Kühlfahnen mit der integrierten Federklammer ebenfalls gut für eine Vorassemblierung der Bauteile geeignet. Damit ein genügend großer Anpressdruck des Bauteiles an den Kühlkörper gegeben ist, sind die integrierten Federklammern so ausgelegt, dass sie für einen guten Wärmeübergang sorgen und sicherstellen, dass das Bauteil einen festen Halt auf dem Kühlkörper hat.

Aufsteckkühlkörper sind sowohl für befestigungsfreies Aufstecken als auch für horizontale oder vertikale Leiterplattenmontage verfügbar. Lötbar beschichtete, integrierte Befestigungsstifte erlauben eine direkte Einlötmontage auf der Leiterkarte.

Durch die neuentwickelten Kühlkörpergeometrien wird bei diesen Fingerkühlkörpern eine sehr gute Wärmeableitung erreicht.

Oberflächenbeschichtungen aus Reinzinn ergeben eine hervorragende Lötfähigkeit sowohl beim Wellen- als auch beim Reflowlöten.

Für spezielle Anwendungen werden elektronische Bauelemente mit zylinderförmiger Geometrie und den Gehäusebezeichnungen TO 5, TO 18, TO 92 weiterhin eingesetzt. Eine einfache und effektive Methode der Wärmeableitung für diese zylinderförmigen Bauelemente ist die Verwendung von „Kühlsternen“. Das sind Kleinkühlkörper aus geformtem Aluminium, Kupfer oder Spezialbronze, die direkt auf das Bauteil aufgedrückt werden. Durch Presssitz fixiert, erhält man damit eine gute mechanische Verbindung und daraus folgend einen guten thermischen Kontakt mit zuverlässigem Wärmeübergang.

Lüfterkühlung bei Leistungstransistoren

Bei der Entwärmung größerer Wärmemengen auf kleinem Raum sind Lüfteraggregate sehr sinnvoll, da hierbei durch starke Luftströmungen bedeutend mehr Wärme pro Volumeneinheit als bei freier Konvektion abgeleitet werden kann.

Die am Markt vorhandenen, kleinformatigen Lüfteraggregate mit einem Querschnitt von 30 mm x 30 mm oder 40 mm x 40 mm werden verwendet, um Leistungshalbleiter auf der Leiterkarte zu entwärmen. Abgeleitet von allgemeinen Lüfteraggregaten werden sie als Miniaturlüfteraggregate (Bild 3) bezeichnet.

Ein kompakter Aufbau mit innenliegendem Wärmetauscher ermöglicht eine homogene Wärmeverteilung und -ableitung. Die montierten, axialen Lüftermotoren haben einen relativ hohen Luftdurchsatz bei großem Druck und sind in der Lage, auch längere Kühlstrecken zu überbrücken. Die Montage erfolgt entweder über Schrauben oder mittels Klammertechnik, wobei in die vorhandenen Nute im Miniaturlüfteraggregat die Klammern eingerastet werden können. Als weitere Befestigungsmöglichkeit gibt es auf allen Flächen die Möglichkeit, Gewindebefestigungslöcher oder Schraubbolzen einzubringen.

Kühlkörper für SMD-Bauteile

Für immer mehr elektronische Bauteile werden vermehrt die oberflächenmontierbaren Gehäusebauformen der Reihen D PAK (TO 252), D2PAK (TO 263) und D3PAK (TO 268), sowie LFPAK (SOT 669) eingesetzt.

Ursprünglich von einem Power-MOSFET-Design für DC/DC-Wandler ausgehend, sind die Gehäusebauformen LFPAK ( Loss-Free Package ) mit besserer Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig geringerer Baugröße als die DPAK ausgelegt. Auf diese Baugrößen abgestimmte Kühlkörper sind besonders geeignet für die Bauformen SOT 669, SO IC-8 FL MP, viele Power-SO-Typen sowie SO-8 und etliche neuere Typen.

Besonders für diese Gehäusetypen sind daher für eine gezielte Entwärmung passende, oberflächenmontierte Kühlkörper für indirekte Wärmeableitung erforderlich, da der Kühlkörper keinen direkten Kontakt zum Bauteil haben kann.

SMD-Kühlkörper aus Kupfer (Bild 4) haben eine spezielle Formgebung und sind mit einer lötfähigen Oberfläche direkt auf der Leiterkarte reflowtechnisch auflötbar.

Der Kühlkörper wird auf eine auf der Leiterkarte vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche aufgelötet. Der Kühlkörper nimmt die abzuleitende Verlustwärme auf und leitet diese an die Umgebung ab. Die Wärmespreizfläche kann relativ flexibel gestaltet werden, da keine Bohrungen in der Leiterkarte notwendig sind. Die Bauteile lassen sich in den Bestückungs- und Lötprozess einfach integrieren, da der Kühlkörper gegurtet und auf Spule (Tape-and-Reel) wie ein sonstiges SMT-Bauteil verarbeitet werden kann.

Kühlkörper für ASICs, FPGAs, SoCs und Prozessoren

Geeignete Kühlkörper für Mikrocontroller, System on a Chip sind nicht nur im Embedded Bereich vertreten. Grundsätzlich sind hierfür Kühlkörper geeignet, die auf den jeweiligen Chip aufgesetzt werden und dadurch die Entwärmung sicherstellen. Heute werden neben den bekannten Pin-Grid-Array (PGA) und Ball-Grid-Array (BGA) und Land-Grid-Array (LGA) zunehmend TQFP und ähnliche Gehäuseformen verwendet.

Hierfür geeignete Kühlkörper sind oftmals kleine Strangprofil-Kühlkörper mit passenden Abmessungen, die auch als SMD-Kühlkörper bezeichnet werden. Verwendet werden ebenfalls so genannte Pin-Fin-Kühlkörper mit meist rechteckig unterbrochenen „Stiftrippen“ und Stiftkühlkörper (Bild 5) mit runden Stiften. Letztere sind kompakte Kühlkörper, gefertigt mit einer besonderen Anordnung und Anzahl der Stifte und für einen optimalen Luftdurchsatz ausgelegt. Aufgrund der Materialeigenschaften, Geometrie und Oberflächenstruktur sind diese Stiftkühlkörper sehr leistungsfähig sowohl bei freier, besonders aber bei erzwungener Konvektion. Ausschlaggebende Gründe sind hierbei, dass das dafür verwendete Aluminium (Al99,5) eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist (>220 [W/m*K] , Strangpressaluminium „nur“ ca. 200 [W/m*K]). Außerdem wird herstellungsseitig eine homogene Gefügestruktur in Wärmeflussrichtung erzeugt. Dadurch ergibt sich eine zeitlich schnelle und gleichmäßige Wärmeverteilung in der Basis, zu den Rippen (Stiften) und innerhalb der Stifte.

Die Stiftkühlkörper haben trotz geringeren Gewichtes eine deutlich bessere Wärmeableitung im Vergleich zu gleich großen Pin-Fin-Kühlkörpern aus Strangpressprofilen und sind erheblich besser als solche aus Aluminium-Druckguss.

Die wärmeleitende Befestigung der Stiftkühlkörper kann mittels Wärmeleitkleber, wärmeleitenden Klebefolien oder speziellen Klammern aus Metall oder Kunststoff erfolgen, für LED-Befestigung sind auch Gewindelöcher und für steckbare Optiken zusätzliche Aussparungen möglich.

Trends bei der Entwärmung auf Leiterkarten

Ein starker Trend zu höherer Integration mit kleineren Gehäusen und mit höherer Leistungsdichte ist für jeden Anwender gut erkennbar ebenso wie die größere Anzahl an SMD-Bauelementen und damit kleineren Leiterkarten. Neben intelligenter Leiterplattengestaltung, effektiven Schaltungskonzepten und sinnvoller Bauteileauswahl müssen die thermischen Belange bewertet werden.

Zudem ist es vorteilhaft, schon in der Konzeptphase anhand bekannter Entwärmungsmöglichkeiten und mit Unterstützung durch Praxistests und numerische Simulation, die Entwärmungsbelange realistisch darzustellen. Dazu gehört auch, für die jeweilige Applikation die geeigneten Kühlkörper auszuwählen und optimal auf den Bauteilen und der Leiterkarte zu platzieren. Beratungen seitens der Anbieter thermischen Managements können dabei für den Anwender durchaus sinnvoll sein um Entwicklungskosten und -zeiten reduzieren zu helfen.

*Lothar Noelle ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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