Bauteileentwärmung Strangkühlkörper wirkungsvoll zur Anwendung bringen

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Um die Zuverlässigkeit und die angestrebte Lebensdauer elektronischer Bauelemente sicherzustellen ist u. a. ein sehr gut funktionierendes Wärmemanagement notwendig. Thermische Konzepte zur Bauteileentwärmung müssen ebenso kritisch betrachtet werden wie deren mechanische Eigenschaften.

Grundvoraussetzung des thermischen Managements ist, dass es in der Applikation funktioniert beziehungsweise seine Aufgabe zufriedenstellend erfüllt. Neben den thermischen Anforderungen an das ausgewählte Entwärmungskonzept sollten auch deren mechanischen Kriterien sowie die thermische Anbindung der Bauteile auf der zugrunde gelegten Lösung genau­estens betrachtet und berücksichtigt werden. So sind beispielsweise Strangkühlkörper ein probates und häufig eingesetztes Mittel, um Bauteiltemperaturen zu regulieren.

Ein Strangkühlkörper, auch als Extrusionskühlkörper oder technisch richtig als Wärmesenke bezeichnet, wird physikalisch gesehen als gerippte Oberfläche verstanden. Die je nach Kühlkörpergeometrie vorhandene Rippenstruktur vergrößert zum einen die Oberfläche und zum anderen wird hierdurch ein deutlich besserer Wärmeübergang vom Grundkörper (Konvektionsauftrieb) an die Umgebungsluft erreicht.

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Strangkühlkörper aus Aluminium werden im Extrusionsverfahren, einem direkten Strangpressen, produziert. Hierbei presst einen Pressenstempel mit hoher Kraft den erwärmten Aluminiumbolzen entlang der Innenfläche eines Rezipienten in Richtung der Werkzeugmatrize. Die eigentliche Werkzeugmatrize liefert, nach dem das Material hindurchgepresst wurde, die gewünschte Kühlkörpergeometrie und beeinflusst je nach Werkzeugauslegung die unvermeidbaren Toleranzabweichungen zur Wunschgeometrie. Strangkühlkörper sind somit immer mit Toleranzen behaftet, was leider in vielen Kundenapplikationen nicht berücksichtigt wird und im Nachgang meistens zu teuren sowie umfangreichen Anpassungen führt.

Legierungen für Strangpressprofile

Das häufig für Strangpressprofile eingesetzte Aluminiummaterial ist eine Knetlegierung, welche im Wesentlichen die Legierungsbestandteile Aluminium, Magnesium und Silizium enthält. Aufgrund der sehr guten Verarbeitbarkeit und CNC-Bearbeitbarkeit der Aluminiumlegierung EN AW 6060 sind die Hauptanwendungs­gebiete, neben der Elektronikindustrie u. a. in der Architektur als Tür- und Fensterrahmen, im Fassaden- und Automobilbau sowie in der Lebensmittelindustrie zu finden.

Die Legierung EN AW 6060 ist eine Standardlegierung für stranggepresste Kühlkörper und gewährleistet Profilkonturen mit einer sehr hohen Oberflächengüte, die in der Nachbehandlung für viele Oberflächentechniken geeignet ist. Die bereits angesprochen herstellungsbedingten Toleranzen für Strangkühlkörper obliegen internationalen DIN-Normen. Profilquerschnitte und deren auftretenden Toleranzen mit einem umschreibenden Kreis von ≤350mm sind in der Norm DIN EN 12020 und für Strangprofile mit einem umschreibenden Kreis von >350mm in der DIN EN 755 festgehalten.

Strangkühlkörper werden in der Applikation vielfach als Komponente im Gesamtkonzept verbaut, weshalb im Vorfeld eine Toleranzbetrachtung in der jeweiligen Einbausituation zu empfehlen ist. Neben der mechanisch angepassten Kühlkörperlänge gilt es, gleichfalls die Profilbreite und -höhe, die Winkelabweichung, die Verwindung und Planparallelität, die Wanddickentoleranz sowie die Wölbung (konvex/konkav) des Querschnittes kritisch zu betrachten und zu bewerten.

Spezielle Strangkühlkörper für die Leiterkarte

Das Kürzel SMD (Surface Mounted Device) steht im Bereich der Elektronik für ein oberflächenmontiertes Bauelement. Im Gegensatz zu anderen gedrahteten Halbleitern zur Durchsteckmontage auf der Leiterplatte besitzen SMD-Bauteile lötfähige Anschluss- bzw. Kontaktflächen und können somit direkt auf eine Leiterkarte aufgelötet werden. Besondere Strangkühlkörper für die Leiterkarte, die sogenannten SMD-Kühlkörper (Bild 1), werden ebenfalls im Strangpressverfahren hergestellt und bieten wirkungsvolle Lösungen zur Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte.

Die Ausführungen als SMD-Kühlkörper sind in ihrer Geometrie und ihrem Gewicht speziell für die Montage auf elektronischen Bauteilen oder Leiterkarten angepasst. Das geringe Eigengewicht ermöglicht eine direkte Oberflächenmontage auf dem Bauteil, ohne die Lötverbindung durch mechanischen Stress zu beschädigen.

Die wärmetechnische Kontaktierung bzw. Befestigung auf dem Bauteil erfolgt mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien oder 2-komponentigen Epoxidharzwärmeleitklebern. SMD-Kühlkörper, die für eine Verklebung auf dem Bauteil angedacht sind, besitzen eine schwarz eloxierte Oberfläche (Bild 1), die bei der Wärmeableitung, genauer gesagt bei der Wärmeabstrahlung, einige thermische Vorteile mit sich bringt.

Scheidet eine Klebeverbindung der SMD-Kühlkörper aufgrund der Applikationsumgebung und deren Anforderungen aus, werden gleichfalls SMD-Kühlkörper mit einer lötfähigen und RoHS konformen Oberflächenbeschichtung angeboten (Bild 1). Hierdurch können die SMD-Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, welche mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufgebracht werden.

Gemäß dem thermischen Pfad leitet das Bauteil die Wärme an die Spreizfläche weiter, wird an dieser Stelle von dem Kühlkörper aufgenommen und über die Rippenstruktur an die Umgebung abgegeben. Darüber hinaus sind SMD-Kühlkörper in speziellen Verpackungsformen z. B. als Tape & Reel oder im Stangenmagazin erhältlich. Aufgrund der verschiedenen Verpackungsformen ist es für den Anwender relativ einfach, die SMD-Kühlkörper in den Bestückungs- und Lötprozess zu integrieren, da diese ähnlich wie ein sonstiges elektronisches Bauteil gehandhabt werden können.

Größere abzuführende Verlustleistungen elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte, erfordern gleichfalls größere Kühlkörperdimensionen. Die so bezeichneten Leiterkartenkühlkörper (Bild 2) können auf verschiedene Weise auf der Leiterkarte befestigt werden. Die hier gezeigten Leiterkartenkühlkörper besitzen darüber hinaus eine integrierte Nut, in welcher eine spezielle Einrasttransistorhaltefeder ebenfalls eine optimale Bauteilbefestigung auf dem Kühlkörper ermöglicht.

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Entwärmende Bauteile an den Strangkühlkörper richtig anbinden

Bei der Kontaktierung elektronischer Bauelemente auf einer Wärmesenke gilt es, besonders im ersten Schritt die Durchbiegung der Halbleitermontagefläche des Kühlkörpers zu beachten. Je nach auftretenden Spaltmaß der Kontaktpaarung, also zwischen Bauteil und Kühlkörper, sollte dementsprechend ein geeignetes Wärmeleitmaterial (TIM) ausgewählt werden. Wärmeleitmaterialien (Bild 3) dienen zur Verbesserung der Wärmeleitung und zum Ausgleich von Lufteinschlüssen beim Wärmeübergang zwischen der Kontaktpaarung. Ein optimaler Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper liefert kleinste Wärmeübergangswiderstände sowie eine sichere Halbleiterfunktion im vorgegebenen Temperaturbereich.

Die heutigen Wärmeleitmaterialien können oftmals mehr als nur „Wärmeleitung“ und sollten jeweils auf die Einbausituation und geforderten Randbedingungen abgestimmt sein. In der Praxis zeigt sich allerdings, dass Wärmeleitmaterialien sehr gerne nur anhand der Wärmeleitfähigkeit ausgewählt und eingesetzt werden. Das Material mit der besten im Datenblatt genannten Wärmeleitfähigkeit hat gewonnen, lautet oftmals das Fazit, da technisch gesehen das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit zu einem geringeren Temperaturanstieg am Bauteil und damit zu einer längeren Lebensdauer führt.

Vielfache Untersuchungen und Laborversuche zeigen, dass TIMs mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, je nach Applikation und Anzahl von Lastzyklen, um ein Mehrfaches schlechter abgeschnitten haben als Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit. Dem Anwender bleibt es somit nicht erspart, sämtliche Parameter seiner Applikation zu sammeln, die in Frage kommenden Materialien in den Versuchsaufbau zu integrieren und auf Tauglichkeit ausführlich zu untersuchen und zu testen.

Einfluss gebende Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind u. a. die thermische Impedanz (Wärmeleitfähigkeit), die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), die chemische Zusammen­setzung (Umweltverträglichkeit) sowie die Flexibilität (Shore-Härte) und Zugfestigkeit. Darüber hinaus sind eine leichte Handhabung, eine gute Alterungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer wichtige Auswahlkriterien.

Der Markt an Wärmeleitmaterialien liefert unzählige Arten mit verschiedenen Eigenschaften, welche in Summe bei richtiger Anwendung hervorragende Lösungsansätze zur thermischen Kontaktierung bieten. Das Produktangebot reicht von den altbekannten Wärmeleitpasten und -klebern, PCM-Materialien (Phase Change), silikonhaltigen und silikonfreien Wärmeleitfolien bis hin zu GEL-Wärmeleitfolien zum Ausgleich von größeren Bauteildifferenzen. (kr)

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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