Wie Sie Bauteile auf der Leiterkarte effizient entwärmen

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Wärmemanagement: Effiziente Board-Level-Kühlkörper aus Aluminium oder Kupferlegierungen liefern ausgezeichnete Entwärmungskonzepte für elektronische Bauelemente auf der Leiterkarte.
Wärmemanagement: Effiziente Board-Level-Kühlkörper aus Aluminium oder Kupferlegierungen liefern ausgezeichnete Entwärmungskonzepte für elektronische Bauelemente auf der Leiterkarte. (Bild: Fischer Elektronik)

Steigende Leistungsfähigkeit, Packungsdichte und Miniaturisierung von Halbleitern machen das Wärmemanagement von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte zur Herausforderung.

Eine Leiterkarte ist, einfach ausgedrückt, ein mit Hilfe von Kunstharz und Glasgewebe verpresstes Laminat aus kupferbeschichteten Kunststoffplatten, dessen Wärmeleitfähigkeit, einmal abgesehen von den Kupferbahnen, sehr schlecht ist. Die Überlebenschancen der meisten elektronischen Bauteile ohne Leiterkarte sind allerdings gering, da die Bauteile selbst für eine effiziente Wärmeableitung an die Umgebung nicht die notwendige Oberflächengröße besitzen.

Erst durch die Verbindung dieser Bauteile mit der Leiterkarte (THT/SMD) und der damit verbundenen Wärmespreizung, auch mittels geeigneter Leiterkartenkühlkörper, kann die entstehende Verlustwärme an die Umgebung abgegeben werden.

Die an die Umgebung abzuführende Wärmemenge korreliert mit der Oberflächengröße der elektronischen Bauelemente und deren Gestaltung. Neben einem effizienten Entwärmungsdesign wird eine kompakte Bauform beispielsweise des Kühlkörpers gefordert und nachgefragt.

Für jeden Anwender von elektronischen Baugruppen ist der Trend zu höherer Integration mit kleineren Gehäusen und höherer Leistungsdichte bei elektronischen Bauteilen gut ersichtlich. Hieraus resultierend gibt es eine größere Anzahl an SMD-Bauteilen und damit verbundenen kleineren bzw. ungenormten Leiterkarten.

Bei einem modernen Leiterkartendesign müssen neben einer intelligenten Leiterkartengestaltung, effektiven Schaltungskonzepten und sinnvoller Bauteilauswahl gleichwohl die thermischen Randbedingungen mit berücksichtigt werden. Die richtige Auswahl und auch die optimale Platzierung von Kühlkörpern auf der Leiterkarte gehören ebenso zu den genannten Randbedingungen wie die richtige Auslegung mittels einfacher Formeln oder thermischen Simulationen.

Effiziente Wirkprinzipien für die Entwärmung

Zur gezielten Entwärmung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterkarte ist es immer schon ein probates Mittel gewesen, Wärmesenken beispielsweise in Form von Kühlkörpern direkt an oder auf dem zu kühlenden Bauteil zu befestigen. Eine je nach Bauteil optimale Wärmeableitung z.B. für Bauteile, die direkt mittels IMT-Technik (Insertion Mount Technology) auf der Leiterkarte befestigt bzw. verlötet sind, erfolgt über so genannte Fingerkühlkörper (Titelbild).

Als Synonym für das Wort Fingerkühlkörper wird in der Fachwelt auch der Begriff „Board Level“-Kühlkörper verwendet. Passende, auf das Bauteil abgestimmte Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupferwerkstoffen für alle gängigen Transistorbauformen, angefangen von TO 220 bis TO 247 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr, ermöglichen auf kleinstem Einbauraum ausgezeichnete Möglichkeiten der Entwärmung.

Fingerkühlkörper bestehen aus einer Grundplatte, von der abstehende Lamellen oder Fahnen (Finger) in gerader oder auch abgewinkelter Form die Kühlkörpergeome­trie ergeben. Die Grundplatte bildet gleichzeitig die Bauteilauflagefläche. Die im Stanz-Biege-Verfahren hergestellten Fingerkühlkörper liefern einerseits die geforderte Kompaktheit und andererseits die größtmögliche Oberflächengröße auf das Volumen bezogen. Die Montage der jeweiligen Fingerkühlkörper auf oder mit dem elektronischen Bauteil erfolgt mittels einer in der Geometrie integrierten Klammerbefestigung (Aufsteckkühlkörper), mittels integrierter Befestigungslöcher oder Lochbildern für eine Schraubmontage bzw. für spezielle Transistor-Haltefedern.

Hierdurch sind verschiedenartige Befestigungsmöglichkeiten für eine horizontale oder vertikale Fixierung der einzelnen Transistortypen auf dem Kühlkörper gegeben. Die bereits im Herstellungsprozess integrierten Federklammergeometrien und die einzelnen auf das Bauteil abgestimmten Transistor-Haltefedern ermöglichen durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt.

Die Fingerkühlkörper werden auf der Leiterkarte mithilfe von im Fertigungsprozess integrierten oder extra angepressten Lötstiften vertikal oder horizontal eingelötet. Dies dient ebenfalls zur mechanischen Stabilisierung.

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