Wärmemanagement: Leistungshalbleiter auf der Leiterplatte entwärmen

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Entwärmung von Leistungsbausteinen: Board-Level-Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer liefern effiziente Entwärmungsmöglichkeiten für Halbleiter auf der Leiterkarte.
Entwärmung von Leistungsbausteinen: Board-Level-Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer liefern effiziente Entwärmungsmöglichkeiten für Halbleiter auf der Leiterkarte. (Bild: Fischer Elektronik)

Leistungshalbleiter werden heute direkt auf einer Funktionsleiterkarte verbaut. Wirkungsvolle Entwärmungskonzepte sind hier unabdingbar. Wir stellen Kühlkörperkonzepte für neue Gehäusebauformen vor.

Eine effiziente Entwärmung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterplatte wird oft durch neuere Halbleiterbauformen, besonders bei einem SMT-Leiterkartenaufbau, erschwert. Traditionelle Entwärmungsmethoden mittels angepasster Kühlkörper, welche unmittelbar mit dem zu entwärmenden Bauteil kontaktiert werden, sind für die gezielte Wärmeabfuhr auf Leiterkarten gut geeignet.

Allerdings erfordert die Entwärmung von elektronischen Bauteilen, die auf der Leiterplatte für verschiedene Anwendungen verbaut sind, entsprechendes Knowhow. Insbesondere die Auswahl eines geeigneten Entwärmungskonzeptes für komplexe Leiterkartenaufbauten und Schaltungen mit Leistungsteilen stellt den Entwickler vor Herausforderungen.

Die Wärmeabfuhr von unterschiedlichen Leistungsgrößen sowie die Variantenvielfalt an Gehäusebauformen benötigen gleichfalls neue angepasste Kühlkörperkonzepte. Neben einer effizienten Entwärmung der Bauteile wird seitens der Anwender eine einfache, sichere und schnelle Montage der Kühlkörper nachgefragt und gefordert.

Die Entwärmung mittels angepasster Kühlkörperlösungen ist essentiell, wird allerdings bei vielen Anwendern aus platztechnischen Gründen nicht gerne gesehen. Demgegenüber ist eine Entwärmung mithilfe von wärmeleitenden „Thermal Vias“ oder „Thermal Inlays“ an metallische Zwischen- oder Außenlagen bzw. mithilfe von Flüssigkeitskühlkanälen eine aufwändige und damit teure Variante.

Fingerkühlkörper für die Leiterplatte

Sogenannte Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupferblech entwärmen Halbleiterbausteine auf der Leiterkarte wirkungsvoll. Die auf die Gehäusebauform angepassten Fingerkühlkörper werden direkt mit dem zu entwärmenden Bauteil kontaktiert.

In der Fachwelt sind die Fingerkühlkörper auch unter dem Namen „Board Level“-Kühlkörper bekannt und für alle gängigen Transistorbauformen, angefangen von TO 220 über TO 247 bis SIP-Multiwatt und etliche mehr, verfügbar. Neben den bereits genannten Fingerkühlkörpern gehören zu diesen Varianten weitere Ausführungen als Klein- und Aufsteckkühlkörper. Fingerkühlkörper entsprechen den Kundenanforderungen nach einer kompakten Bauweise und liefern eine optimale Oberflächengröße in Bezug auf das Volumen.

Fingerkühlkörper bestehen im Wesentlichen aus einer Grundplatte als Bauteilmontagefläche, von welcher einzelne Finger (Fahnen) abstehen. Je nach Ausführung sind diese Finger gerade oder abgewinkelt und eignen sich für einen horizontalen oder vertikalen Einbau auf der Leiterkarte.

Bild 1: Eine schnelle und sichere Halbleitermontage mit festem Halt bieten durch im Fertigungsprozess integrierte Klammergeometrien, welche jeweils auf das Bauteil abgestimmt sind.
Bild 1: Eine schnelle und sichere Halbleitermontage mit festem Halt bieten durch im Fertigungsprozess integrierte Klammergeometrien, welche jeweils auf das Bauteil abgestimmt sind. (Bild: Fischer Elektronik)

Die bereits genannten Aufsteckkühlkörper (Bild 1) enthalten eine Klammer zur Befestigung, die direkt beim Produktionsprozess mit angebracht wird. Neben einer im Fingerkühlkörper integrierten Klammer kann die Befestigung des elektronischen Bauteils mit dem Kühlkörper ebenfalls durch eingebrachte Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder für Transistorhaltefedern erfolgen.

Bereits durch den Fertigungsprozess integrierte Federklammergeometrien, wie auch die einzelnen auf das Bauteil abgestimmten Transistorhaltefedern, gewährleisten durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem elektronischen Bauteil und dem Fingerkühlkörper. Sämtliche Befestigungsmöglichkeiten des Bauteils auf bzw. am Kühlkörper gewährleisten eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt.

Die Fingerkühlkörper werden ebenfalls durch im Fertigungsprozess integrierte Lötstifte auf der Leiterplatte befestigt und zusätzlich mechanisch stabilisiert. Die Variantenvielfalt ermöglicht, je nach Einbaulage, eine horizontale und vertikale Lötbefestigung auf der Leiterkarte. Mit einer schwarz eloxierten Oberflächenbeschichtung erzielen Fingerkühlkörper mit angecrimpten Lötstiften einen besseren Wirkungsgrad bei der Entwärmung.

Andere Board-Level-Kühlkörper besitzen eine Beschichtung gemäß der EU-Richtlinie RoHS und sind komplett lötfähig, wodurch eine gute Lötfähigkeit sowohl beim Wellen- als auch Reflowlöten gegeben ist.

Die Produktgruppe der Fingerkühlkörper beinhaltet u.a. auch die bereits erwähnten Kleinkühlkörper. Diese sind besonders zur Entwärmung von elektronischen Bauteilen mit einer zylinderförmigen Bauform geeignet. Bauelemente mit zylindrischer Geometrie, wie Transistoren in den Bauformen TO 5, TO 18, TO 92, werden trotz hochintegrierter Schaltkreise und SMT-Bauteile für spezielle Anwendungen weiterhin eingesetzt.

Diese zylindrischen Bauelemente lassen sich einfach und sehr effektiv mit so genannten Kühlsternen entwärmen. Kühlsterne sind kleine aus Aluminium, Kupfer oder einer speziellen Bronze gefertigte Kühlkörper, die von oben direkt auf den Baustein gedrückt werden. Ein auf das Bauelement abgestimmter Presssitz des Kühlsterns sorgt für eine gute thermische Kontaktierung und darüber hinaus für eine stabile und sichere Verbindung mit dem Bauteil.

Mehr Leistungsfähigkeit durch kleine Strangkühlkörper

Die Abkürzung SMD (Surface Mounted Device) steht für ein oberflächenmontiertes Bauelement. Im Gegensatz zu gedrahteten Halbleitern für die Durchsteckmontage in der Leiterkarte besitzen SMD-Bauteile lötfähige Anschluss- bzw. Kontaktflächen. Sie können so direkt auf eine Leiterplatte aufgelötet werden. Für eine effizientere Wärmeabfuhr stehen neben den bereits genannten Fingerkühlkörpern auch SMD-Kühlkörper als Strangpressprofil zur Verfügung.

Die Ausführungen als SMD-Kühlkörper sind in ihrer Geometrie und ihrem Gewicht auf die Montage auf elektronischen Bauteilen oder Leiterkarten angepasst. Das geringe Eigengewicht ermöglicht eine direkte Oberflächenmontage auf dem Bauteil, ohne wie bei BGA-gelöteten Bauteilen die Lötverbindung durch mechanische Spannungen zu beschädigen.

Die wärmetechnische Kontaktierung bzw. Befestigung auf dem Bauteil erfolgt mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien oder zweikomponentigen Epoxidharz-Wärmeleitkleber.

Bei der Auswahl einer geeigneten Befestigungsmethode muss allerdings stets die Einsatzumgebung, beispielsweise Belastungen durch Schock oder Vibrationen, berücksichtigt werden. Verklebungen jeglicher Art erfordern eine fachgerechte Handhabung (Vorbehandlung und Reinigung), um einen vollständigen Ersatz von mechanischen Verbindungen zu gewährleisten.

Bild 2: Kleinste SMD-Kühlkörper können je nach Applikation auf dem Bauteil mit unterschiedlichen Klebverbindungen oder direkt auf der Leiterkarte aufgelötet werden.
Bild 2: Kleinste SMD-Kühlkörper können je nach Applikation auf dem Bauteil mit unterschiedlichen Klebverbindungen oder direkt auf der Leiterkarte aufgelötet werden. (Bild: Fischer Elektronik)

SMD-Kühlkörper, die für eine Verklebung auf dem Bauteil gedacht sind (Bild 2), besitzen eine schwarz eloxierte Oberfläche, die bei der Wärmeableitung, genauer gesagt bei der Wärmeabstrahlung, einige thermische Vorteile mit sich bringt. Ist eine Verklebung aufgrund der Applikationsumgebung nicht anzuraten, können die Kühlkörper auch mit einer komplett lötfähigen Beschichtung überzogen werden. Hierdurch lassen sich die SMD-Kühlkörper direkt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, welche mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufbringen.

Entlang dem thermischen Pfad leitet das Bauteil die Wärme an die Spreizfläche weiter, wird an dieser Stelle vom Kühlkörper aufgenommen und über die Rippenstruktur an die Umgebung abgegeben. Wie auch zuvor bei den genannten Fingerkühlkörpern lassen sich SMD-Kühlkörper in speziellen Verpackungsformen, beispielsweise als Tape & Reel oder im Stangenmagazin, beim Bestückungsprozess der Leiterkarte wie ein elektronisches Bauteil handhaben.

Besondere Fingerkühlkörper für neuere Gehäusebauformen

Direkt auf die Oberfläche einer Leiterkarte zu montierende Bauteile, wie die Baureihen D PAK (TO 252), D2 PAK (TO 263) und D3 PAK (TO268) sowie LF PAK (SOT 669), finden zunehmend Anwendung. Ausgehend von der ursprünglichen Power-MOSFET-Schaltung für DC/DC-Wandler sind die Gehäusebauformen LF PAK (Loss Free Package) kleiner als die Baureihe D PAK und bieten darüber hinaus eine bessere Leistung.

Bild 3: Flügelförmige Fingerkühlkörper für die Halbleitergehäuse D PAK und LF PAK werden über das Bauteil gesetzt und direkt mit der Leiterplatte verlötet.
Bild 3: Flügelförmige Fingerkühlkörper für die Halbleitergehäuse D PAK und LF PAK werden über das Bauteil gesetzt und direkt mit der Leiterplatte verlötet. (Bild: Fischer Elektronik)

Den Kühlkörper auf die Bauteiloberseite zu montieren, macht bei solchen Gehäusebauformen keinen Sinn, da die Wärme im Gehäuseinneren an einen „Heat slug“ auf der Unterseite des Bauteils abgegeben wird. Somit hat der Kühlkörper keinen Kontakt mit dem Bauteil und die Wärme muss über den Kühlkörper indirekt abgeleitet werden. Dieser wird meistens über dem Bauteil auf eine Kupfer-Wärmespreizfläche auf der Leiterkarte aufgelötet (Bild 3).

Der Wärmeeintrag bzw. die Wärmeabgabe erfolgt vom Bauteil in die Kupfer-Wärmespreizfläche und wird von dem mit dieser Fläche verbundenen Fingerkühlkörper aufgenommen. Die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft erfolgt durch freie Konvektion.

Die Gestaltung der Wärmespreizfläche auf der Leiterkarte erfolgt relativ frei, da keine Bohrungen nötig sind. Dies bietet wie bei den SMD-Kühlkörpern als Strangpressprofil den Vorteil der einfachen Integration in den Bestückungs- und Lötprozess der Leiterplatte. Besondere Verpackungsformen wie Tape & Reel oder Stangenmagazine ermöglichen, dass der Fingerkühlkörper wie ein sonstiges SMT-Bauteil zu verarbeiten ist.

Fazit: Kleinere Halbleiterbausteine in Gehäusen wie TO 220 bis SIP Multiwatt erfordern sogenannte Board-Level-Kühlkörper. Diese Fingerkühlkörper sind klein und kompakt und liefern ein optimales Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Für neuere, kleinere SMD-Gehäuseformen wie LF PAK gibt es stranggepresste Fingerkühlkörper, die auf der Bauteiloberseite montiert werden.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 18/2019 (Download PDF)

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

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