Leiterplatten-Kühlkörper Leistungsbausteine effizient auf der Platine entwärmen

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Heitec AG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Alles wird kleiner, kompakter und leistungsstärker, besonders bei Elektronik-Anwendungen. Packungsdichten auf Leiterkarten nehmen stetig zu, was zu einem erhöhten Temperaturaufkommen bei den eingesetzten elektronischen Bauteilen führt. Hier sind effiziente Entwärmungskonzepte gefragt.

Verlustwärme entsteht in elektronischen Bauteilen, da nicht die gesamte zugeführte Energie in Leistung umgewandelt wird. Diese Verluste verursachen physikalische Vorgänge im Bauteil, welche direkt in Wärme umgewandelt werden. Temperaturen außerhalb des spezifizierten Bereichs schädigen auf lange Sicht das Bauteil, die gesamte Baugruppe – bis hin zur Zerstörung der Funktionseinheit.

Effiziente Entwärmungskonzepte schaffen Abhilfe, müssen aber passgenau auf die Applikation und die damit verbundene Verlustleistung abgestimmt sein. Dies gilt ebenfalls für elektronische Bausteine, welche auf Leiterkarten verbaut sind.

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Der Vorteil von Board-Level-Kühlkörpern

Klassische Strangkühlkörper sind oftmals aufgrund ihrer Abmessungen zu voluminös, um diese direkt auf der Leiterplatte zu verbauen. Hier kommen sogenannte „Board Level“-Kühlkörper (Aufmacherbild) zum Einsatz.

Je nach Einbausituation und -lage macht es wärmetechnisch Sinn, die verbauten und zu entwärmenden Bauteile auf der Leiterkarte direkt an oder auf der Wärmesenke zu befestigen. Dies geschieht oftmals aus Platzgründen direkt auf der Leiterkarte. Hier werden solche Kühllösungen nicht gerne gesehen, sind aber dessen ungeachtet essenziell.

Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten wie IMT (Insertion-Mount-Technology) – der klassischen Durchsteckmontage – oder SMT (Surface-Mount-Technology) – der Oberflächenmontage – existieren zahlreiche Lösungen für ein passendes thermisches Management auf der Leiterplatte. Verschiedenartige Kühlkörpervarianten als Aluminium-Strangpressprofil, Kupfer- oder Aluminium-Blechbiegeteil liefern kostengünstige und zuverlässige Lösungen zur Entwärmung elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte.

Kühlkörper für Transistoren auf der Leiterplatte

Speziell für auf der Leiterplatte verbaute Transistoren, wie TO 220 bis TO 247, D-PAK sowie SIP-Multiwatt, liefern auf eine effektive Entwärmung ausgerichtete Board-Level-Kühlkörper, auch Fingerkühlkörper genannt. Fingerkühlkörper werden im Stanz-Biegeverfahren aus Aluminium- oder Kupferbändern hergestellt, wodurch schnelle Stanzvorgänge sowie niedrige Stückkosten erzielt werden.

Als Basismontagefläche für den Halbleiter dient eine auf das Bauteil angepasste Grundplatte, von welcher abstehende Lamellen oder Fahnen (Finger) die Kühlkörpergeometrie in gerader oder abgewinkelter Form ergeben. Fingerkühlkörper sind sehr kompakt und liefern die bestmögliche Oberflächengröße per Volumen.

Die Bauteilmontage auf dem jeweiligen Fingerkühlkörper kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Einfach, schnell und mit sicherem Halt ist die Installation auf den sogenannten Aufsteckkühlkörpern. Aufsteckkühlkörper enthalten eine bei der Produktion umgesetzte Federklammer (Bild 1), welche durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und Fingerkühlkörper gewährleistet. Hierbei wird der Kühlkörper auf das Bauteil aufgeschoben.

Befestigungsmöglichkeiten von Fingerkühlkörpern

Des Weiteren stehen Fingerkühlkörper zur Verfügung, welche in der Montagefläche integrierte Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern enthalten. Hierdurch lassen sich die einzelnen Transistortypen flexibel horizontal oder vertikal auf dem Kühlkörper fixieren.

Bei der Schraubmontage wird der Transistor auf den jeweiligen Kühlkörpertyp aufgesetzt und gleichzeitig mit diesem, oder auch der Leiterkarte, als eine Einheit verschraubt. Die jeweiligen, auf die Bauteile abgestimmten Federklammer-Geometrien ermöglichen gleichfalls durch ihren Anpressdruck eine optimale Kontaktierung zwischen Transistor und Fingerkühlkörper.

Die Befestigung der Fingerkühlkörper auf der Leiterkarte erfolgt, auch zur mechanischen Stabilisierung, über ebenfalls im Fertigungsprozess integrierte oder extra angepresste Lötstifte zum vertikalen oder horizontalen Einlöten. Die aus Aluminiumbändern hergestellten Board-Level-Kühlkörper besitzen eine schwarz eloxierte Oberfläche, welche in punkto Wärmeableitung (Wärmestrahlung) Vorteile birgt. Für das Einlöten dieser Kühlkörper in die Leiterkarte werden einzelne verzinnte Lötstifte angepresst.

Die aus Kupfer hergestellten Kühlkörpervarianten werden komplett mit einer lötfähigen Oberfläche beschichtet. Oberflächenbeschichtungen aus Reinzinn gewährleisten eine hervorragende Lötbarkeit und erfüllen bereits seit vielen Jahren die Anforderungen heutiger EU-Richtlinien (RoHS).

Kleine SMD-Strangkühlkörper für die Leiterplatte

Kleine SMD-Kühlkörper sind ebenfalls zur Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte geeignet, sofern diese auf die Gegebenheiten abgestimmt und angepasst sind. Die speziellen SMD-Kühlkörper werden stranggepresst (Bild 2), wobei die kleinste Ausführung eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g aufweist.

Zur Befestigung der Kühlkörper gibt es zwei Ansätze: Schwarz eloxierte SMD-Kühlkörper können aufgrund des geringen Gewichtes direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden. Dabei werden die Lötstellen auf der Leiterplatte durch mechanische Spannungen nicht beschädigt.

Die Befestigung und Platzierung auf dem Bauteil erfolgt durch doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder zweikomponentige Wärmeleitkleber. Diese ersetzen eine mechanische Schraubverbindung und benötigen lediglich staub- und fettfreie Oberflächen.

Eine weitere Standardoberfläche ist eine lötfähige Oberflächenbeschichtung des gesamten SMD-Kühlkörpers. Hierdurch lassen sich die SMD-Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte (auf eine Kupfer-Wärmespreizfläche) mittels Reflow- oder Wellenlöten aufbringen. Standard-Verpackungen, wie Tape & Reel, Tablett oder Stangenmagazin, ermöglichen automatische Prozesse für Bestückung und Löten, da SMD-Kühlkörper ähnlich wie ein SMT-Bauteil gehandhabt werden können.

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Höhere Verlustleistung erfordert mehr Kühlkörper

Leistungsstarke Halbleiter wie TO 220, TO 218, TO 247, diverse SIP-Multiwatt und MAX-Typen verursachen größere Verlustleistungen. Hier liefern sogenannte Leiterkartenkühlkörper für Einrasttransistorhaltefedern (Bild 3) effiziente Entwärmungslösungen.

Die Befestigung der Kühlkörper auf der Leiterplatte erfolgt über ein im Kühlkörperfuß beim Strangpressen eingebrachten Gewindekanal. Der Kühlkörperfuß wird auf die Leiterkarte aufgesetzt, stabilisiert gleichfalls den Kühlkörper und kann von der Rückseite der Platine mit einer metrischen M3-Schraube fixiert werden.

Ein massiver Messingbolzen mit einem M3-Außengewinde ist optional als Zubehör erhältlich. Dieser wird im Gewindekanal des Kühlkörpers eingeschraubt oder eingepresst und auf der anderen Leiterkartenseite gekontert. Dies gewährleistet eine sichere Montage auf der Leiterkarte für vibrationsreiche Anwendungen. Als dritte Zubehör-Option kommt ein im Gewindekanal einzupressender Lötstift, mit dem der Kühlkörper auf der Leiterkarte befestigt wird.

Mittels einer speziellen, im Profil integrierten, Nutgeometrie in Verbindung mit dafür angepassten Einrasttransistorhaltefedern ist eine schnelle und sichere Montage der Halbleiter auf dem Kühlkörper möglich. Die Einrasttransistorhaltefedern aus Edelstahl lassen sich per Clip in die Nutgeometrie unverlierbar einrasten.

Auf die Halbleiter und deren Bauformen angepasste Feder-Geometrien garantieren einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Kühlkörper-Montagefläche. Einmal eingerastet hält die Feder unverrückbar in ihrer Position und fixiert mit hohem Anpressdruck den Transistor auf der Montagfläche.

Die Einrasttransistorhaltefeder ist in ihrer Position in Längsrichtung nicht verschiebbar, wobei ein Herausfallen in Querrichtung nicht möglich ist. Die universellen Einrasttransistorhaltefedern in Verbindung mit dem jeweiligen auf die abzuführende Verlustleistung angepassten Leiterplattenkühlkörper erlauben eine sichere und schnelle Montage fast aller alle Arten und Größen von Transistorgehäuseformen. (kr)

* Dipl.-Physik-Ing. Jürgen Harpain ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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