Wärmemanagement Entwärmungskonzepte für Einzelhalbleiter und ICs

Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Die in die Umgebung abzuführende Wärmemenge korelliert mit der Oberflächengröße und deren Gestaltung. Daher ist für die Entwärmung eine optimierte und kompakte Bauform des Kühlkörpers wesentlich.

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Bild 1: Strangkühlkörper mit integrierten Befestigungselementen zur effektiven Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte
Bild 1: Strangkühlkörper mit integrierten Befestigungselementen zur effektiven Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte
(Bild: Fischer)

Der permanent ansteigende Trend zu höherer Integration mit kleineren Gehäusen und höherer Leistungsdichte im Bereich elektronischer Bauelemente ist für jeden Anwender gut ersichtlich – ebenso wie die größere Anzahl an SMD Bauteilen und damit kleineren Leiterkarten. Neben intelligenter Leiterkartengestaltung, effektiven Schaltungskonzepten und sinnvoller Bauteileauswahl müssen gleichwohl die thermischen Belange eine Beachtung finden.

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Bereits in der Konzeptphase sollten anhand bekannter Entwärmungsmöglichkeiten, Praxistests und numerischer Simulation die Anforderungen an das thermische Management realistisch dargestellt werden. Dazu gehört es genauso für die jeweilige Applikation die geeigneten Kühlkörper auszuwählen und diese optimal auf den Bauteilen, auch auf der Leiterkarte, zu platzieren.

Ein probates Mittel zur gezielten Entwärmung elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte ist schon durch die Befestigung der zu kühlenden Halbleiter an die Wärmesenke gegeben. Verschiedenartige Kühlkörpertypen zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, so genannte Board-Level-Kühlkörper, werden oftmals aus platztechnischen Gründen nicht gerne gesehen, sie sind allerdings dessen ungeachtet substanziell. Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten wie die klassische Durchsteckmontage (IMT – Insertion-Mount-Technology) oder die Oberflächenmontage (SMT – Surface-Mount-Technology) existieren hier zahlreiche Lösungen für ein passendes thermisches Management.

Diverse Kühlkörpervarianten als Aluminiumstrangpressprofil, Kupfer- oder Aluminiumblechbiegeteil liefern kostengünstige und zuverlässige Lösungen zur Entwärmung elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte.

Leiterplattenstrangkühlkörper mit Befestigungselementen

Die Produktgruppe der Board-Level-Kühlkörper beinhaltet neben Finger-, Klein- und Aufsteckkühlkörpern ebenfalls die effizienten Extrusionskühlkörper (Leiterplattenstrangkühlkörper). Diese werden nicht wie die zuerst genannten Varianten als Blechbiegteil aus Aluminium oder Kupfer hergestellt, sondern als Aluminiumprofil im Strangpressverfahren. Die Gründe hierfür sind ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen.

Um eine gezielte Entwärmung leistungsstarker elektronischer Bauelemente auf der Leiterkarte zu realisieren bieten Leiterplattenstrangkühlkörper (Bild 1) 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 mit angepasstem Toleranzbereich gewährleisten einen festen und sicheren Halt der Lötstifte. Neben den Ausführungen mit integrierten Lötstiften besteht zusätzlich die Möglichkeit, Leiterplattenstrangkühlkörper mit einer speziellen Schraubbefestigung zu versehen. Hierbei wird an Stelle des Lötstiftes ein massiver Messingbolzen mit einseitigem M3-Gewinde fest in den Kühlkörper verpresst.

Die Befestigung auf der Leiterkarte erfolgt dann nach Durchsteckmontage mittels einer Gegenmutter auf der anderen Leiterkartenseite. Diese Befestigungsart ist besonders für vibrationsreiche Anwendungen, wie z.B. in der Bahntechnik, angebracht. Die Gefahr, dass durch eine gebrochene Lötstelle der mechanische Halt verloren geht, besteht hierbei nicht.

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