Dipl. Physik Ing. Jürgen Harpain, Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid
Temperaturprobleme von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte werden mitunter durch deren stetig steigenden Packungs- und Leistungsdichten bei gleichzeitiger Miniaturisierung sowie zunehmender Komplexität verursacht. Für einen sicheren Betrieb der einzelnen Bauteile und Funktionsbaugruppen ist ein effizientes thermisches Management unabdingbar. Die Bauteile in einem vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich zu betreiben, ist oftmals die nicht immer einfach zu lösende Aufgabe des Entwicklers.
Die Anforderungen an ein effizientes Wärmemanagement für elektronische Bauteile, welche auf einer Leiterkarte verbaut sind, haben sich über die Jahre und besonders in der heutigen Zeit nicht vermindert. Die bereits genannten Faktoren, wie auch die Zusammenfassung einzelner Funktionsbausteine zu einer Komponente, führen in Summe zu steigenden Verlustleistungen der Bauteile, welche gemäß physikalischer Gesetze direkt in schädliche Wärme umgewandelt wird. Dieses Wärmeaufkommen gilt es zu regulieren, um Bauteilausfälle oder gar eine Bauteilzerstörung auszuschließen. Es kann aber auch passieren, dass Bauteile nicht mehr im vollen Umfang ihre Spezifikation erfüllen, was allerdings im Sinne der Zuverlässigkeit und Lebensdauer gleichfalls einen Ausfall darstellt. Neben einer Beeinträchtigung der verbauten Komponenten auf der Leiterkarte, kann allerdings zu viel Verlustwärme ebenso das eigentliche Leiterkartenmaterial sowie deren aufgebrachten Lötstellen schädigen. Effiziente Entwärmungslösungen sind gefragt und gefordert, welche einfach, ohne großen Aufwand individuell an die jeweilige spezifische Anwendung und deren Temperaturbedingungen anzupassen sind. Darüber hinaus ist es Entwicklern empfohlen, sich bereits in einer frühen Designphase mit dem Problem der Wärmeentwicklung und dem Wärmemanagement zu befassen, um letztendlich die Zeit und die Kosten bis zur Markteinführung möglichst gering zu halten. Eine im Vorfeld unzureichende Analyse der Wärmeentwicklung auf der Leiterkarte, erfordert im Nachgang meistens eine kostensteigernde und aufwendige Optimierung bzw. Leiterkartendesignanpassung.
Bild 1: Verschiedenartige Board Level Kühlkörper bewirken eine sichere und effiziente Entwärmung elektronischer Bauelemente auf der Leiterplatte
Möglichkeiten der Entwärmungsoptimierung
Das entwickelte und daraus resultierende Leiterkartendesign einer Funktionsbaugruppe, kann mittels verschiedener verfügbarer Technologien in Punkto verbesserter Wärmeabfuhr ausgestattet werden. Die Leiterkarte selbst bzw. deren Grundmaterial ist als Träger der elektronischen Bauteile die wesentliche Komponente, welche zum Erreichen eines effektvollen Wärmemanagements verantwortlich ist. Weit bekannt und eingesetzt für vielzählige Applikationen dienen FR4 Leiterkarten, die sich allerdings aufgrund des niedrigen Wärmeleitwertes des Grundmaterials mitunter nicht immer für wärmeintensive Applikationen empfehlen. Hierfür stehen oftmals andere Leiterkartentechnologien, wie u.a. Dickkupfer- oder Metallkern-Leiterkarten (IMS, Insulated Metal Substrate) zur Verfügung. Als Beispiel können die einzelnen Technologien zusätzlich mit Wärmeabfuhr steigernden Maßnehmen, wie z.B. zusätzlichen Thermal Via Arrays als Via-in-Pad oder Via mit Epoxid gefüllt und mit Kupfer überplatiert (Filled & Capped-Vias), ausgestattet werden. Die beispielhaft genannten Maßnahmen funktionieren allerdings nur bis zu einem gewissen Wirkungsgrad. Führen sämtliche schaltungstechnische Optimierungen auf der Leiterkarte allerdings nicht zum gewünschten wärmtechnischen Erfolg, so ist der Einsatz von Kühlkörpern auf der Leiterkarte notwendig und unabdingbar.
Für den Anwender gestaltet sich der Einsatz von Kühlkörpern auf der Leiterkarte nicht immer ganz einfach, da vielfach die abzuführende Wärmemenge mit der Oberflächengröße des Kühlkörpers korreliert. Bei der Gestaltung eines Leiterkartendesigns, wo Kühlkörper von Nöten sind, wird daher kundenseitig eine optimierte, auf die Applikation angepasste sowie kompakte Bauform des Kühlkörpers bevorzugt gefordert. Neben intelligenter Leiterkartengestaltung, effektiven Schaltungskonzepten und sinnvoller Bauteileauswahl müssen gleichwohl, wie bereits erwähnt, die thermischen Belange eine Berücksichtigung finden. Dieses erfordert gleichfalls für die jeweilige Applikation einen geeigneten Kühlkörper auszuwählen und diesen optimal auf den Bauteilen oder direkt auf der Leiterkarte zu platzieren. Das Unternehmen Fischer Elektronik beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahrzehnten mit dem Thema der Bauteilentwärmung auf Leiterkarten und bietet verschiedenartige Kühlkörperlösungen. Die so genannten „Board Level Kühlkörper“ (Bild 1) werden als Strangpressprofil aus einer hochwärmeleitenden Aluminiumlegierung oder als Blechbiegeteil aus Aluminium- und Kupferband produziert. Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten, wie die klassische Durchsteckmontage (IMT, Insertion-Mount-Technology) oder der Oberflächenmontage (SMT, Surface-Mount-Technology), existieren hier zahlreiche, kostengünstige und zuverlässige Lösungen für ein passendes thermisches Management zur Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte.
Bild 2: Verschiedenartige SMD Kühlkörper zum direkten aufkleben auf das Bauteil oder auflöten auf die Leiterkarte, auch im Standard als Verpackungsform Tape & Reel verfügbar
Angepasste SMD-Kühlkörper
Die Entwärmung von SMD-Bauteilen auf der Leiterkarte, erfordert spezielle auf die Bauteile angepasste Möglichkeiten in Form so genannter SMD-Kühlkörper (Bild 2). SMD-Kühlkörper sind in ihrer Ausführung sehr kompakt gestaltet und werden als Aluminiumstrangpressprofil umgesetzt. Vielzählige und unterschiedliche Kühlkörpergeometrien sind mit Sicht auf deren Gewicht für eine Oberflächenmontage auf Leiterkarten entwickelt. Der kleinste im Strangpressverfahren herstellbare SMD-Kühlkörper besitzt gerade einmal eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm², was einem Gewicht von 0,24 g entspricht. Das geringe Eigengewicht der SMD-Kühlkörper ermöglicht eine direkte Montage auf dem Bauteil, ohne dessen Lötstellen langfristig, z.B. durch mechanischen Stress, zu beschädigen. Die Montage sämtlicher SMD-Kühlkörper erfolgt auf unterschiedliche Art und Weise, wobei die jeweilige Montageart stets der Applikationsanforderung und -umgebung anzupassen ist. SMD-Kühlkörper aus dem Hause Fischer Elektronik werden standardmäßig in zwei verschiedenen Oberflächenausführungen angeboten.
Neben einer schwarz eloxierten Oberfläche des Aluminiumkühlkörpers sind diese auch im Standard als lötfähige Variante mit einer Reinzinnbeschichtung verfügbar. Die schwarz eloxierte Oberflächenausführung bringt gemäß physikalischer Gesetze in Punkto der Wärmeableitung einige thermische Performancevorteile mit sich. Die Montage dieser Ausführung erfolgt direkt auf dem zu entwärmenden Bauteil. Zur Befestigung stehen hierfür doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder 2-komponentige Epoxidharzwärmeleitkleber zur Verfügung. Eine fachgerechte Auswahl der richtigen Klebeverbindungsart richtet sich stets nach der Applikationsumgebung und deren Anforderungen. Die zu verklebenden Oberflächen müssen im Vorfeld gründlich gereinigt und entfettet werden, damit die Wärmeleitmaterialien auch wirklich als vollständiger Ersatz einer mechanischen Verbindung dienen. Je nach Design der Leiterkarte und Beschaffenheit der einzelnen Bauteile, werden als Alternative zur Klebetechnik auch immer häufiger SMD-Kühlkörper direkt neben dem Bauteil oder sogar an einer anderen Stelle auf der Leiterkarte, auf einer Kupferanschlussfläche, aufgelötet. SMD-Kühlkörper mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung, müssen somit neben der thermischen Performance, ebenfalls eine sehr gute Lötbarkeit gewährleisten. Die eingesetzten lötfähigen Beschichtungen aus Reinzinn, entsprechen den heutigen Umweltrichtlinien sowie den Besonderheiten in der Elektronikindustrie. Ein weiterer echter Mehrwert für die Kunden ergibt sich aus einer einfachen Integration des SMD-Kühlkörpers in den Bestückungs- und Lötprozess der Leiterkarte, da dieser aufgrund verschiedenartiger und standardmäßiger Verpackungsformen, z.B. als Tape & Reel (Bild 2), unkompliziert wie ein sonstiges Bauteil verarbeitet und behandelt werden kann.
Bild 3: Leiterplattenkühlkörper mit eingepressten Lötstiften, ermöglichen eine sichere Verbindung zwischen der Einheit Bauteil/Kühlkörper und der Leiterkarte
Für größere Verlustleistungen auf der Leiterkarte
Für größere abzuführende Verlustleistungen auf der Leiterkarte, stehen neben den genannten SMD-Kühlkörpern, weitere so genannte Leiterkartenstrangkühlkörper zur Verfügung (Bild 3). Diese werden ebenfalls als Strangpressprofil, bestehend aus einer hochwärmeleitenden Aluminiumlegierung, hergestellt. Zur Realisierung einer gezielten Entwärmung leistungsstarker elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte, bieten Leiterkartenstrangkühlkörper in thermischer und montagetechnischer Hinsicht eine optimale Lösung. Die Befestigung des Kühlkörpers auf der Leiterkarte erfolgt über einen oder mehrere Lötstifte, als Spann- oder Vollstift, welche fest im Kühlkörper eingepresst sind und durch eine lötfähige Oberflächenbeschichtung direkt in die Leiterkarte eingelötet werden. Besondere im Kühlkörper integrierte Einpressgeometrien in einem angepassten und speziell ermittelten Toleranzbereich, gewährleisten einen festen und sicheren Halt der Lötstifte. Die wärmetechnisch optimale und die freie Konvektion unterstützende Rippengeometrie des Kühlkörpers wird durch verschiedenartige Versionen für eine auf die Leiterkarte bezogene vertikale, als auch horizontale Einbauart, gewährleistet. Die liegende oder stehende Befestigung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper erfolgt unter anderem mittels integrierter Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für spezielle Transistorhaltefedern (Bild 3). Die jeweiligen auf die Bauteile abgestimmten Federklammergeometrien ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt.
Bild 4: Auf das Bauteil angepasste Einrasttransistorhaltefedern gewährleisten eine schnelle und sichere Montage des zu entwärmenden Transistors auf dem Kühlkörper
Die Vereinfachung der Transistormontage auf Kühlkörpern wird in vielen Applikationen kundenseitig als Kostenreduktionsfaktor angesehen, soll darüber hinaus so einfach und schnell sowie sicher umsetzbar sein. Hierfür bietet Fischer Elektronik verschiedenartige Leiterkartenkühlkörper für Einrasttransistorhaltefedern (Bild 4). Die Vereinfachung der Transistormontage erfolgt bei diesen Varianten, mittels einer speziellen im Kühlkörper integrierten Nutgeometrie. Diese wird direkt beim Strangpressen des Profils eingebracht und ergibt für den Anwender den entscheidenden Vorteil, dass die zu befestigenden Transistoren anhand besonders geformter Einrasttransistorhaltefedern aus Edelstahl (THFU 1 bis 7), direkt per Clipfunktion in die Nut unverlierbar eingerastet werden können (Bild 4). 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 Einrasttransistorhaltefdern in Verbindung mit dem jeweiligen auf die abzuführende Verlustleistung angepassten Kühlkörper für eine Leiterkartenmontage, erlauben eine sichere und schnelle Montage fast aller alle Arten und Größen von Transistorgehäuseformen.