Wie Sie Bauteile auf der Leiterkarte effizient entwärmen

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Vishay Intertechnology, Inc. C/- Vishay Europe Sales GmbH

Kundenseitig wird neben einer guten Wärmeableitung des Kühlkörpers besonderer Wert auf eine gute Lötbarkeit der Gesamteinheit gelegt. Die aus Aluminiumbändern hergestellten Board-Level-Kühlkörper besitzen eine schwarz eloxierte Oberfläche, die hinsichtlich der Wärmeableitung, genauer gesagt bei der Wärmestrahlung, einige Vorteile mit sich bringt. Ebenfalls ist die Möglichkeit gegeben, komplette Kühlkörper mit einer lötfähigen Beschichtung mit sehr guter Lötbarkeit gemäß der EU-Richtlinie RoHS zu beschichten (Bild 1).

Kleine SMD-Kühlkörper aus Aluminium

Neben den bereits genannten Fingerkühlkörpern stehen für SMD-oberflächenmontierte Bauteile in Gewicht und Geometrie angepasste SMD-Kühlkörper aus Aluminium zur Verfügung. Die SMD-Kühlkörper (Bild 2) werden im Strangpressverfahren hergestellt, wobei die kleinste Ausführung nur eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g besitzt.

Aufgrund des geringen Eigengewichtes der SMD-Kühlkörper können diese direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden, ohne hierbei die verbindenden Lötstellen mit der Leiterkarte durch mechanischen Stress zu beschädigen. Die sichere Befestigung der SMD-Kühlkörper auf dem Bauteil kann durch doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder zweikomponentige Wärmeleitkleber erfolgen.

Standardmäßig besitzen die SMD-Kühlkörper bei Anwendung der Klebetechnik eine schwarz eloxierte Oberfläche, wobei Ausführungen mit einer lötfähigen Beschichtung genauso erhältlich sind. Hierdurch lassen sich die Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte, genauer gesagt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufbringen. Ein weiterer Mehrwert für den Anwender ist durch die Verpackung als Tape and Reel gegeben. SMD-Kühlkörper lassen sich relativ einfach in den Bestückungs- und Lötprozess integrieren, da diese ähnlich wie ein SMT-Bauteil gehandhabt werden.

Bei höheren Verlustleistungen elektronischer Bauelemente auf einer Leiterkarte werden sehr häufig so genannte Leiterkartenkühlkörper für Einrasttransistor-Haltefedern angewendet. Diese Ausführungen werden mit dem Aluminiumstrangpress-Verfahren hergestellt.

Höhere Verlustleistung bedeutet größere Kühlkörper

Leiterkartenkühlkörper ergeben in Summe ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen.

Die Befestigung der Leiterkartenkühlkörper auf der Leiterkarte kann auf verschiedenen Wegen funktionieren. Die Kühlkörper besitzen im Kühlkörperfuß, welcher auf die Leiterkarte aufgesetzt wird, einen stranggepressten Gewindekanal. In diesen kann von der Rückseite der Leiterkarte zur Befestigung mit selbiger eine metrische M3-Schraube eingedreht werden. Es besteht die Möglichkeit in diesen Gewindekanal einen massiven Messingbolzen mit einen M3-Außengewinde einzupressen.

Die Befestigung auf der Leiterkarte erfolgt dann nach Durchsteckmontage mittels Gegenmutter auf der anderen Leiterkartenseite. Diese Befestigungsart mit zusätzlicher Schraubensicherung ist besonders für vibrationsreiche Anwendungen, beispielsweise in der Bahntechnik, angebracht.

Für Anwendungen, in denen keine Schraubmontage notwendig oder zulässig ist, gibt es einen Messingbolzen mit lötfähiger Oberflächenbeschichtung zur Einlötmontage, welcher ebenfalls unverlierbar in dem Gewindekanal verpresst wird (Bild 3).

Die verschiedenen Einbaulagen der Leiterkarten mit montiertem Kühlkörper, für eine vertikale als auch horizontale Ausrichtung, ist durch eine wärmetechnisch optimale und die freie Konvektion unterstützende Rippengeometrie des Kühlkörpers gegeben. Die Befestigung der auf der Leiterkarte verbauten Transistoren am Kühlkörper wird kundenseitig immer als Kostenreduktionsfaktor angesehen.

Eine Vereinfachung der Transistormontage wird mittels einer speziellen im Kühlkörper integrierten Nutgeometrie gewährleistet. Diese wird direkt beim Strangpressen des Profils eingebracht. Der Vorteil besteht darin, dass der Anwender die zu befestigenden Transistoren mit besonders geformten Einrasttransistor-Haltefedern aus Edelstahl per Clipfunktion in die Nut unverlierbar einrasten kann.

Die einfache Montage mit sicherem Halt bewirkt einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und der Kühlköpermontagefläche. Einmal eingerastet hält die Feder unverrückbar in ihrer Position und fixiert mit hohem Anpressdruck den Transistor auf der Montagfläche. Die Einrasttransistor-Haltefeder ist in ihrer Position in Längsrichtung nicht verschiebbar, wobei ein Herausfallen in Querrichtung nicht möglich ist.

Die universellen Einrasttransistor-Haltefedern in Verbindung mit dem jeweiligen auf die abzuführende Verlustleistung angepassten Kühlkörper für die Leiterkartenmontage erlaubt eine sichere und schnelle Montage fast aller alle Arten und Größen von Transistorgehäuseformen. Beispiele sind TO 220, TO 218, TO 247 etc., diverse SIP-Multiwatt- als auch lochlose MAX-Typen.

Entwärmung: Die Entwärmung von Bauelementen und Bauteilen gewinnt immer mehr an Bedeutung. (ALPHA-Numerics)

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

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