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Kühlende Konzepte für Leiterplatten

: Fischer Elektronik


Der Trend bei elektronischen Bauelementen zu höherer Integration und kleineren Gehäusen mit höherer Leistungsdichte schreitet stetig voran, ebenso wie die deutliche Zunahme der Verwendung von SMD-Bauteilen und damit kleineren Leiterplatten. In diesem Zusammenhang wird die Auswahl eines geeigneten Kühlkonzeptes für die technisch einwandfreie und kostengünstige Entwärmung der elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte bedeutend.

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Verschiedenartige Board Level Kühlkörper bewirken eine sichere und effiziente Entwärmung elektronischer Bauelemente auf der Leiterplatte.

Verschiedenartige Board Level Kühlkörper bewirken eine sichere und effiziente...

Die bekannten auf dem Markt erhältlichen Entwärmungskonzepte sind die traditionell verwendeten Kühlkörper, welche an den elektronischen Bauelementen befestigt sind und dadurch diese gezielt kühlen. Die Kühlkörperbestückung auf Leiterplatten ist jedoch oftmals aus Platzgründen unbeliebt, aber zwingend notwendig, um eine einwandfreie und langlebige Funktion der elektronischen Bauteile zu sichern.

Neue Entwicklungen bei elektronischen Bauteilen erfordern eine intensive Analyse eines geeigneten Kühlkonzeptes, sei es wegen der höheren Packdichte des Leiterplattendesigns oder weil Anforderungen an die automatische Bestückung, einer einfachen und kostengünstigen Weiterverarbeitung, dieses erforderlich machen. Immer häufiger sind bei komplexen Schaltungen auch Bauteile mit verschiedenen Leistungsklassen auf der Leiterkarte vorhanden. Die gezielte Entwärmung unterschiedlicher Leistungsgrößen und die Vielfalt verwendeter Gehäusebauformen, wie DC/DC Wandler, Leistungstransistoren als SMD etc., benötigen immer mehr innovative Kühlkörpervarianten. Neue Konzepte für eine sichere Entwärmung auf der Leiterplatte, einhergehend mit einer einfachen, sicheren und schnellen Montage sind gefordert.

„Board Level Kühlkörper“ sind den Erfordernissen des Marktes angepasst und haben zu einem Innovationsschub mit guten und praktikablen Lösungen geführt. Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten IMT (Insertion-Mount-Technology), der klassischen Durchsteckmontage, oder SMT (Surface-Mount-Technology), der Oberflächenmontage
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Fingerkühlkörper mit integrierten Lochbildern für verschiedenartige Leistungstransistoren.

Fingerkühlkörper mit integrierten Lochbildern für verschiedenartige Leistungstransistoren.

der Bauteile, existieren hier zahlreiche Lösungen für ein passendes thermisches Management auf der Leiterkarte.

Board Level Kühlkörper

Board Level Kühlkörper beinhaltet neben Finger-, Aufsteck- und Kleinkühlkörper, ebenfalls für höhere abzuführende Verlustleistungen verschiedenartige und speziell auf die Leiterplatten angepasste Strangkühlkörper als Extrusionsprofil. Eine effektive Kühlkörperbauweise zeigen Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen als Blechbiegeteil, welche aus einer Grundplatte bestehen, von der abstehende Lamellen oder Fahnen (Finger), in gerader oder auch abgewinkelter Form die Geometrie ergeben, darüber hinaus neben der geforderten Kompaktheit, gleichwohl die bestmögliche Oberflächengröße per Volumen darstellen. Für alle gängigen Transistorbauformen angefangen von TO 220 bis TO 247, TO 3 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, liefern passende Fingerkühlkörper – auch mit integrierten Lochbildern zur Bauteilbefestigung – eine effiziente Möglichkeit geringe bis mittlere Halbleiterverlustleistungen sicher abzuführen.

Eine Untergruppe der Fingerkühlkörper bilden die ebenfalls als Blechbiegeteil hergestellten Aufsteckkühlkörper. Diese besitzen spezielle Haltegeometrien mit einer integrierten Federklammer, welche konstruktiv und materialtechnisch so ausgelegt sind, dass sie aufgrund des Anpressdruckes für einen guten Wärmeübergang und einen festen Halt des Bauteils auf dem Kühlkörper sorgen. Neben dem befestigungsfreien
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Entwärmung von zylindrischen elektronischen Bauelementen mittels fest auf gedrückter Kühlsterne.

Entwärmung von zylindrischen elektronischen Bauelementen mittels fest auf gedrückter...

Aufstecken sind für die vertikale und horizontale Bauteilmontage integrierte oder angestanzte lötfähige (den Richtlinien RoHS und WEEE entsprechende) Befestigungsstifte vorgesehen. Als integraler Bestandteil des Aufsteckkühlkörpers sind diese Befestigungsarten für eine Montage auf der Leiterkarte bzw. für eine besonders kostengünstige Einbaumontage von Bedeutung.

In der Produktgruppe der Board Level Kühlkörper sind zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen mit einer zylinderförmigen Bauform (z. B. TO 5, TO 18, TO 92 Transistoren etc.) Kleinkühlkörper, wie Kühlsterne, geeignet. Diese – aus Aluminium, Kupfer oder speziellen Bronze – werden direkt von oben auf das Bauteil gedrückt und gewährleisten guten thermischen Kontakt wie mechanisch stabile Verbindung.

Leiterplattenkühlkörper zum direkten Auflöten

Im Gegensatz zu den elektronischen Bauteilen für die Durchsteckmontage, besitzen SMD-Bauelemente keine bedrahteten Anschlüsse, sondern können mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterkarte aufgelötet werden (SMT). Elektronische SMD-Bauteile, wie z. B. MOSFETs, die häufig als Leistungshalbleiter dienen, stellen eine beachtliche Wärmequelle dar. Eine normale Leiterplatte ist nicht in der Lage, die anfallende Verlustwärme so wirksam abzuleiten, wie ein für diese Applikationen angepasster Kühlkörper. Der Temperaturanstieg der Leiterplatte kann sich somit nachteilig auf andere in der Nähe montierte Bauelemente auswirken oder selbst z. B. durch Delamination
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Wärmeableitung auf der Leiterkarte ohne direkten Bauteilkontakt mittels lötfähiger SMT-Kühlkörper.

Wärmeableitung auf der Leiterkarte ohne direkten Bauteilkontakt mittels lötfähiger...

Schaden erleiden.

Kühlkörper für oberflächenmontierte elektronische Bauelemente sind auf die jeweilige Baugröße abgestimmt und werden mittels Klebung durch verschiedenartige Wärmeleitmaterialien oder durch Lötung mit dem zu entwärmenden Bauteil mechanisch und thermisch verbunden. Die verschiedenartigen kompakten SMD-Kühlkörper werden als Extrusionsprofil aus Aluminium hergestellt und können in Bezug auf die Geometrie und das Gewicht auf das jeweilige elektronische Bauelement abgestimmt werden. Mit einem Gewicht von 0,24 g besitzt der kleinste SMD-Kühlkörper gerade mal eine Kontaktoberfläche von 31,5mm². Hierdurch, z. B. bei BGA (Ball Grid Array) gelöteten Bauteilen, können die SMD-Kühlkörper direkt auf die Oberseite des Bauteils aufgeklebt werden.

Für immer mehr elektronische SMD-Bauteile werden vermehrt die oberflächenmontierbaren Gehäusebauformen der Serie D PAK (TO 252), D2 PAK (TO 263), D3 PAK (TO 268) sowie LF PAK (SOT 669) eingesetzt. Der Wärmetransport vom Bauteil in die Leiterkarte erfolgt bei diesen Bauelementen über einen „Heat slug“ auf der Unterseite des Bauteils. Besonders für diese Gehäusetypen sind für eine gezielte Entwärmung passende und oberflächenmontierbare Kühlkörper für eine indirekte Wärmeableitung erforderlich. Geeignete Kühlkörper aus Kupfer, deshalb auch mit einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, haben eine spezielle Formgebung und sind in Verbindung mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung, direkt auf die Leiterkarte im Reflow-Verfahren auflötbar. Die technische Abfolge ist die, dass der Kühlkörper auf eine auf der Leiterkarte vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche aufgelötet wird. Die abzuleitende Verlustwärme
wird dann von diesem Kühlkörper aufgenommen und an die Umgebungsluft mittels der freien Konvektion abgeleitet. Die Gestaltung der Wärmspreizfläche kann relativ frei erfolgen, da keinerlei Bohrungen in der Leiterkarte benötigt werden. Das bietet ebenfalls den Vorteil der einfachen Integration in den Bestückungs- und Lötprozess, da der Kühlkörper wie ein sonstiges SMT-Bauteil verarbeitet werden kann.


Verschiedenartige Board Level Kühlkörper bewirken eine sichere und effiziente Entwärmung elektronischer Bauelemente auf der Leiterplatte.
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Wärmeableitung auf der Leiterkarte ohne direkten Bauteilkontakt mittels lötfähiger SMT-Kühlkörper.


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