Wärmemanagement auf Leiterplatten Wenn die Leiterplatte mehr Wärme abführen muss

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Elektronische Bauteile und Systeme werden immer kleiner, kompakter und leistungsfähiger. Neben den leistungstechnischen Vorteilen bringt ein erhöhtes Wärmeaufkommen der Bauteile auch Nachteile mit sich, sofern die auftretenden Bauteiltemperaturen nicht begrenzt werden.

Bekanntermaßen entsteht in elektronischen Bauteilen während des Betriebes eine Verlustwärme, da leider nicht die gesamte zugeführte Energie in Leistung umgewandelt wird. Aufgrund physikalischer Vorgänge im Bauteil und der Bewegung von Elektronen, entsteht Wärme, die dem Bauteil langfristig schadet und dessen Lebensdauer drastisch verkürzen kann. Wärmeaufkommen, die sich außerhalb eines vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereichs befinden, müssen daher vermieden und geregelt werden. Effiziente Entwärmung setzt voraus, dass die Kühllösung an die jeweilige Applikation und deren thermische Randbedingungen angepasst ist. Für die Entwärmung elektronischer Bauteile auf Leiterplatten stehen hierfür unterschiedliche Kühlkörperkonzepte zur Verfügung.

Die sogenannten Board-Level-Kühlkörper (Bild 1) beschreiben sämtliche Lösungen rund um das Thema Bauteilentwärmung auf der Leiterplatte. Ausgerichtet und angepasst auf die unterschiedlichen Bestückungsarten, wie der klassischen Durchsteckmontage (IMT = Insertion-Mount-Technology) und der Oberflächenmontage von Bauteilen (SMT = Surface-Mount-Technology), existieren zahlreiche Lösungsansätze für ein effizientes Wärmemanagement. Gemäß Einbausituation und -lage der Bauteile auf der Leiterplatte, sind die unterschiedlichen Board-Level-Kühlkörper direkt an oder auf der Wärmesenke zu fixieren. Je nach Anwendung kommen kompakte Aluminiumstrangpressprofile sowie Biegeteile aus Kupfer- oder Aluminiumblech für das Wärmemanagement auf Leiterplatten zum Einsatz.

Bildergalerie

Befestigungsmöglichkeiten auf der Leiterplatte

Die bereits genannten Board-Level-Kühlkörper sind in der Produktgruppe nochmals unterteilt und lassen sich anhand der Bauteilart und -größe einsortieren. Für die Entwärmung von Transistoren in Gehäuseformen wie TO-220 oder TO-247 kommen unter anderem sogenannte Aufsteckkühlkörper zum Einsatz.

(Bild 1, oben rechts). Die Kühlkörper mit integrierter Clipgeometrie werden im Stanz-Biegeprozess aus Aluminium- oder Kupferbändern hergestellt. Die Herstellung im Stanz-Biegeprozess ermöglicht die Fertigung von Kühlkörper und Clipgeometrie aus Bandmaterial. Bei Aufsteckkühlkörpern fungiert eine auf das Bauteil angepasste Grundplatte als Montagefläche, von der abstehende Lamellen als Oberflächenvergrößerung dienen und im Gesamtbild die Kühlkörpergeometrie ergeben. Die ebenfalls im Fertigungsprozess integrierte Federklammer fixiert das jeweilige Bauteil sicher und mit festem Halt auf der Montagefläche, wodurch ein optimaler Wärmeübergang zum Kühlkörper gewährleistet wird. Die eigentliche Montage des Aufsteckkühlkörpers erfolgt durch einfaches Aufschieben auf das zu entwärmende Bauteil oder auch umgekehrt. Andere Board-Level-Kühlkörper enthalten zur Bauteilbefestigung ein eingebrachtes Lochbild in der Grundplatte, wodurch das Bauteil mittels Schrauben, spezieller Transistorhaltefedern oder Einpressverbinder zu befestigen ist. Für jede Einbaulage des Bauteils, ob horizontal oder vertikal, sind unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten auf dem Board-Level-Kühlkörper gegeben.

Zur Befestigung der aus Bandmaterial gefertigten Kühlkörpertypen enthalten diese einen im Produktionsprozess integrierten oder nachträglich angebrachten Lötstift. Je nach Einbaulage des Board-Level-Kühlkörpers sind diese gerade nach vorne oder abgewinkelt nach unten, an dem Kühlkörper angebracht und ermöglichen eine sichere mechanische Stabilisierung sowie Befestigung des Kühlkörpers über eine Verlötung auf der Leiterplatte. Ausführungen, die aus einem hochwärmeleitfähigen Aluminiumband gefertigt werden, sind nachträglich schwarz zu eloxieren, was in puncto der Wärmestrahlung des Kühlkörpers vorteilhaft zu bewerten ist. Der besagte Lötstift ist bei diesen Varianten im Nachgang anzupressen (Bild 2), so dass sowohl eine horizontale als auch vertikale Einbaulage des Kühlkörpers gewährleistet wird. Die verwendeten Lötstifte bestehen aus Messingmaterial, werden zwecks Lötbarkeit vernickelt und anschließend verzinnt.

Board-Level-Kühlkörper mit bereits bei der Fertigung hergestellten Lötstiften sind äußerlich an ihrem silberfarbigen Erscheinungsbild zu erkennen (Bild 1, oben rechts, unten links). Bereits integrierte Lötstifte können fertigungstechnisch nicht einzeln lötfähig beschichtet werden, weshalb der komplette Board-Level-Kühlkörper zu galvanisieren ist. Des Weiteren gewährleisten Oberflächenbeschichtungen, in diesem Fall aus Reinzinn, eine hervorragende Lötbarkeit und erfüllen bereits seit vielen Jahren die Anforderungen heutiger EU-Richtlinien (RoHS). Damit eine solche lötfähige Oberflächenbeschichtung allerdings funktioniert, müssen die Teile im Vorfeld vernickelt werden, um auf den Kühlkörpergeometrien aus Aluminium- oder Kupfermaterial einen Haftgrund zu erzeugen. Bei Ausführungen mit integriertem Lötstift und schwarz eloxierter Oberfläche (Bild 1), fungiert dieser lediglich als mechanische Stabilisation der Bauteil/Kühlkörpereinheit in der Leiterplatte.

Größere Kühlkörper für höhere Verlustleistungen

Steigen die abzuführenden Verlustleistungen nicht nur auf der Leiterplatte, so ist oftmals der Einsatz von größeren Strangpressprofilen mit voluminöseren Abmessungen notwendig. Die sogenannten Leiterplattenkühlkörper (Bild 3) sind im Speziellen für die Abfuhr größerer Wärmemengen auf der Leiterplatte entwickelt und adaptiert. Darüber hinaus besitzen die verschiedenartigen Varianten nützliche Eigenschaften, welche in Summe aus thermischer und montagetechnischer Sicht für viele Anwendungen zu gebrauchen sind. Leiterplattenkühlkörper sind ebenfalls auf der Leiterplatte über einen Lötstift zu befestigen. Hierfür beinhalten die Strangkühlkörper eine toleranzgenaue Einpressgeometrie, in welche ein oder mehrere lötfähige Stifte als Spann- oder Vollstift eingepresst werden. Der wie im Bild 3 dargestellte lötfähige Leichtspannstift schmiegt sich exakt der Einpressgeometrie ohne jegliche Materialabreibung an und bietet einen sicheren sowie festen Halt im Kühlkörper. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, ein toleranzgenaues Loch in Abhängigkeit des Lötstiftdurchmessers in den Kühlkörper einzubringen, in welches der Lötstift an beliebiger Stelle zu verpressen ist. Optional sind alle eingebrachten Lötstifte mit einem zusätzlichen Kunststoffring zu versehen, sodass der Kühlkörper nicht direkt auf der Leiterplatte aufliegt. Hierdurch wird ein gewisser Abstand gewährleistet, was mitunter ebenfalls dazu führt, gewisse Vorgaben zu Luft- und Kriechstrecken einzuhalten.

Besonders für vibrationsreiche Anwendungen, wie z.B. in der Bahntechnik, besteht die Möglichkeit, die jeweiligen Leiterplattenkühlkörper mit Einpressgeometrie, auch mit einem Messingbolzen mit einem M3-Außengewinde zu versehen (Bild 3 unten). Der Bolzen ist fest und unverlierbar im Kühlkörper eingepresst, wobei die Befestigung auf der Leiterplatte mittels Durchsteckmontage und einer Gegenmutter auf der anderen Leiterplattenseite erfolgt. Die eigentliche Bauteilbefestigung auf dem Leiterplattenkühlkörper erfolgt mittels eingebrachter 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. Die jeweiligen auf die Bauteile abgestimmten Transistorhaltefedern der Serie THF ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt.

Leiterplattenkühlkörper für Einrasttransistorhaltefedern

Leiterplattenkühlkörper für sogenannte Einrasttransistorhaltefedern (Bild 4), bieten dem Anwender in Verbindung mit größeren Verlustleistungen eine weitere Art der Bauteilentwärmung. Die Kühlkörperformen werden im Aluminiumstrangpressverfahren umgesetzt und enthalten bei allen Varianten im Kühlkörperfuß immer einen profilgepressten Gewindekanal sowie eine besondere Clipgeometrie im Bereich der Halbleiterauflageflächen. Zur Befestigung des Kühlkörpers auf der Leiterplatte kann von der anderen Leiterplattenseite eine metrische M3-Schraube in den Gewindekanal eingedreht und somit der Kühlkörper auf der Leiterplatte fixiert werden. Als Zubehör verfügbar und als weitere Befestigungsmöglichkeit zu nutzen, ist neben einem Messingbolzen mit Außengewinde, ebenfalls ein lötfähiger Stift für eine Einlötmontage, direkt in den Gewindekanal des Kühlkörpers unverlierbar einzupressen. Somit ergeben sich drei verschiedenartige Befestigungsmöglichkeiten für den Kühlkörper auf der Leiterplatte, die je nach Applikation und Randparameter angepasst werden kann.

Die verschiedenen Einbaulagen der Leiterplatten mit montiertem Kühlkörper, für eine vertikale oder horizontale Ausrichtung, sind durch eine wärmetechnisch optimale und die freie Konvektion unterstützende Rippengeometrie der Kühlkörpervarianten gegeben. Die Vereinfachung der Transistormontage wird bei den verschiedenartigen Leiterplattenkühlkörpern mittels einer speziellen im Kühlkörper integrierten Nutgeometrie und angepassten Einrasttransistorhaltefedern aus Edelstahl gewährleistet. Einmal per Clipfunktion in der Nut eingerastet hält die Feder unverrückbar sowie unverlierbar in ihrer Position und fixiert mit hohem Anpressdruck den Transistor auf der Halbleitermontagefläche. Die universellen Einrasttransistorhaltefedern in Verbindung mit dem jeweiligen auf die abzuführende Verlustleistung angepassten Kühlkörper für Leiterplattenmontage erlauben eine sichere und schnelle Montage fast aller Arten und Größen von Transistorgehäuseformen, wie TO 220, TO 218, TO 247 etc., diverse SIP-Multiwatt als auch lochlose MAX-Typen. (mr)

* Dipl. Physik Ing. Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik.

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