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An die Verlustleistung angepasste Kühlkonzepte

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Kühlkörperformen mit einer integrierten Klammerbefestigung, die so genannten Aufsteckkühlkörper, bieten eine weitere Art der Kühlkörperkontaktierung für Transistoren auf der Leiterkarte. Der ebenfalls auf den Transistortyp und auf die benötigte Haltekraft angepasste Befestigungsflansch wird direkt bei der Herstellung durch Biegeprozesse in den Kühlkörperaufbau integriert.

Die Montage der elektronischen Bauteile erfolgt hierbei durch Aufschieben des Kühlkörpers auf das Bauteil. Zur mechanischen Fixierung der jeweiligen Fingerkühlkörper auf der Leiterkarte enthalten diese ebenfalls durch den Fertigungsprozess integrierte Lötstifte für eine horizontale oder vertikale Einlötbefestigung. Gleichfalls besteht die Möglichkeit, Fingerkühlkörper mit einer komplett lötfähigen Oberfläche zu beschichten, wodurch eine hervorragende Lötbarkeit gemäß der EU-Richtlinie RoHS umgesetzt wird.

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Wirkungsvolle Entwärmung mit SMD-Kühlkörpern

Für oberflächenmontierbare Bauelemente auf der Leiterkarte (SMT, surface-mount technology; SMD, surface-mount device) bzw. für Komponenten, die keine Anschlussdrähte besitzen, ermöglichen kompakte SMD-Kühlkörper (Bild 2) eine wirkungsvolle Art der Entwärmung. Diese werden im Aluminiumextrusionsverfahren oder als Drehteil aus Aluminium hergestellt und sind jeweils auf die oberflächenmontierbaren elektronischen Bauteile hinsichtlich Geometrie und Gewicht abgestimmt. Der kleinste SMD-Kühlkörper besitzt eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm² bei einem Gewicht von 0,24 g. Deshalb können die SMD-Kühlkörper z.B. direkt auf die Oberseite von gelöteten BGA-Bauteilen (Ball Grid Array) aufgeklebt werden, ohne hierbei die kugelförmigen geformten Lötpunkte auf der Unterseite des Bauteils durch mechanische Belastung zu beschädigen.

Für eine Klebverbindung von geeigneten SMD-Kühlkörpern auf die jeweiligen Leistungsbauteile bieten sich doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder verschiedene Epoxydharz-Wärmeleitkleber an. Verschiedenartige Verpackungsformen wie Gurt und Spule, Tablett oder Stangenmagazin unterstützen und gewährleisten ebenfalls den automatischen Bestückungsprozess in der Elektronikfertigung.

Durch die Verwendung von Lüfter-unterstützten Entwärmungssystemen wie z.B. Lüfteraggregate (Bild 3) wird bei der Wärmeableitung eine deutliche Leistungssteigerung erreicht. Die verschiedenartigen Versionen der Lüfteraggregate sind immer, je nach Aufbau und verwendeter Wärmetauschgeometrie, auf die Spezifikationen des zugrunde gelegten Lüftermotors abgestimmt.

Möglichkeiten zur Steigerung der Wärmeabfuhr

Viele unterschiedliche Varianten der Lüfteraggregate eignen sich besonders für die Wärmeabfuhr von größeren Verlustleistungen beziehungsweise kleineren Temperaturdifferenzen. Lüfteraggregate funktionieren nach dem Prinzip der erzwungenen (forcierten) Konvektion. Gegenüber der freien Konvektion besteht der Unterschied darin, dass mit Hilfe des jeweiligen Lüftermotors die erzeugte Luftströmung durch eine Wärmetauschstruktur geleitet wird.

Unterschiedlich konzipierte Lüfteraggregate als Segment-, Miniatur-, Kühlkörper-, Hohlrippen- oder Hochleistungslüfteraggregat sind in vielen Bereichen der industriellen Elektronik anzutreffen und liefern sehr wirkungsvolle Lösungsansätze. Besonders in Verbindung mit axial, radial oder diagonal betriebenen Lüftermotoren sind kleinste thermische Widerstände erreichbar. Des Weiteren ermöglichen einseitig oder auch doppelseitige Basisplatten als Halbleitmontageflächen eine sehr gute Wärmespreizung.

Ein Vielfaches besser als Luft: die Flüssigkeitskühlung

Bei besonders leistungsstarken elektronischen Bauelementen begrenzt oftmals das benötige große Einbauvolumen der Entwärmungsmethode, dem damit verbundenen relativ hohen Gewicht oder die starke Geräuschentwicklung eines Lüftermotors die Möglichkeiten.

Ein auf die Applikation angepasster Flüssigkeitskühlkörper (Bild 4) ist bei etlichen Anwendungen als Alternative zur Luftkühlung durchaus überlegenswert. Die Effizienz der Flüssigkeitskühlung lässt sich relativ einfach anhand der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmediums Wasser beschreiben. Mit einem Wert von 4,182 kJ/kg K, ist diese viermal so groß wie die von Luft, wodurch Entwärmungskonzepte mittels Wasserkühlung im Vergleich zu anderen Aufbauten deutlich hervorzuheben sind.

Als weitere Vorteile sind die sehr kompakte Bauweise, die Entwärmung direkt am montierten Bauelement sowie die interne wärmetechnisch optimal kontaktierte Wärmetauschfläche zu nennen. Letzteres wird durch eine zueinander versetzte Lamellenstruktur realisiert, welche mit der Basis- und der Bauteilmontageplatte verbunden ist, und gleichfalls für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit des Entwärmungssystems sorgt.

Darüber hinaus bewirkt die innenliegende Lamellenstruktur eine flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers mit minimalen Strömungsverlusten. Exakt plan gefräste Halbleitmontageflächen ermöglichen weiterhin eine freie Platzierung der elektronischen Bauteile. Ein leistungsgerechtes Rückkühlsystem, bestehend aus einem speziellen Rückkühler, dem eigentlichen Wärmetauscher mit einem leistungsstarken Lüftermotor sowie einer Pumpe mit einer angepassten Pumpleistung, komplettieren das Flüssigkeitskühlsystem. Mechanische Elektronikkomponenten wie Kühlkörper produziert Fischer Elektronik bereits seit 1968 in Lüdenscheid.

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik, Lüdenscheid.

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