Aufgrund physikalischer Abläufe und Vorgänge in einem Halbleiter, entstehen bei der Energieumsetzung sogenannte Energieverluste verschiedener Art, die mit dem Begriff Wirkungsgrad qualifiziert werden. Die Summe aller Energieverluste wird als Verlustleistung bezeichnet, wobei bei den meistens Prozessen in elektronischen Halbleitern die Verlustleistung in Form von Wärme anfällt. Die Wärme schadet bekanntermaßen die Funktion der Bauteile auf langer Sicht und verkürzt deren Lebensdauer, sofern diese nicht in einem spezifizierten Bereich gehalten wird. Effiziente auf die elektronischen Bauteile angepasste Entwärmungslösungen kontrollieren die schädliche Wärme und vermeiden langfristig Funktionsausfälle in der Applikation oder gar eine Zerstörung der eingesetzten Bauteile.
Die Entwärmung von elektronischen Bauteilen, verbaut auf der Leiterkarte, erfolgt idealerweise durch abgestimmte und passgenaue Kühlkonzepte. Für genau solche Anwendungsfälle bietet Fischer Elektronik verschiedenartige, sogenannte Board Level Kühlkörper. Der in der Fachwelt eingedeutschte Name, bezeichnet im Hause Fischer sämtliche Konzepte zur Bauteilentwärmung rund um die Leiterkarte. Wärmetechnisch ist es immer sinnvoll, die Wärme dort aufzunehmen, wo sie entsteht, also direkt am Halbleiter. Aufgrund der Kompaktheit der heutigen Funktionsleiterkarten, fallen klassische Strangkühlkörper, aufgrund ihrer Größe und Montage- sowie Befestigungsmöglichkeit, oftmals aus. Geeignete Entwärmungskonzepte müssen einhergehend mit den Leiterkarten, kleiner und kompakter gestaltet sein, um auf der Leiterkarte verbaut werden zu können. Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten IMT (Insertion-Mount-Technology), der klassischen Durchsteckmontage, oder SMT (Surface-Mount-Technology), der Oberflächenmontage der Bauteile, existieren hier zahlreiche Lösungsansätze aus dem Hause Fischer Elektronik für ein passendes Wärmemanagement auf der Leiterkarte. Kostengünstige und zuverlässige Kühlkörperausführungen, als Aluminiumstrangpressprofil, Kupfer- oder Aluminiumblechbiegeteil, sorgen für eine kühle Elektronik auf der Leiterkarte.
Wohin mit der Wärme?
Die Produktgruppe der Board Level Kühlkörper setzt sich aus den Untergruppen Fingerkühlkörper, Aufsteckkühlkörper, Kleinkühlkörper, Kühlkörper für D PAK und SMD zusammen. Fingerkühlkörper sind prädestiniert zur Bauteilentwärmung für auf der Leiterkarte verbaute Transistoren, wie zum Beispiel TO 220 bis TO 247 sowie SIP-Multiwatt und etliche mehr. Die kompakten Fingerkühlkörper liefern sehr gute Entwärmungskonzepte auf kleinstem Einbauraum bei bestmöglicher Oberflächengröße per Volumen und enthalten eine auf den Halbleiter abgestimmte Basisplatte, welche als Montagefläche dient, von der zusätzliche Lamellen (Finger) abstehen. Finger- oder Aufsteckkühlkörper sind kostengünstig und schnell mittels innovativer Werkzeugtechnologie im Stanz-/ Biegeprozess aus Aluminium- oder Kupferbändern herzustellen, werden standardmäßig mit einer schwarz eloxierten oder lötfähigen Oberflächenbeschichtung angeboten. Die Befestigung der schwarz eloxierten Kühlkörper auf der Leiterkarte, erfolgt durch extra angeschlagene Lötstifte für eine vertikale oder horizontale Einlötbefestigung.
Die Varianten aus Kupfermaterial hingegen enthalten bereits integrierte Lötstifte und werden in der Gesamtheit mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung veredelt. Die je nach Einbaulage angepassten Lötstifte, erzielen eine sehr gute Verbindung und Befestigung mit der Leiterkarte, stabilisieren darüber hinaus die Kühlkörper-Bauteileinheit. In der Basisplatte enthaltene Befestigungslöcher oder spezielle Lochbilder, ermöglichen eine Bauteilmontage auf dem Fingerkühlkörper, mittels einer Schraubmontage oder durch auf die Transistoren angepasste Transistorhaltefedern. Dem gegenüber liefern die sogenannten Aufsteckkühlkörper eine noch einfachere und schnellere Montagemöglichkeit an dem Halbleiter. Die Montage erfolgt durch einfaches Aufschieben auf den Transistor unter eine im Produktionsprozess integrierte Halteklammer, welche mit hohen Anpressdruck das Bauteil auf der Montagefläche fixiert, weiterhin einen optimalen Wärmeübergang zwischen dem Bauteil und Fingerkühlkörper gewährleistet.
Lösungen für D PAK und SMD
Oberflächenmontierte SMD-Bauteile auf der Leiterkarte, wie zum Beispiel die Gehäusebauformen D PAK (TO 252), D2 PAK (TO 263) und D3 PAK (TO268) sowie LFPAK (SOT 669), erfordern besonders angepasste Kühlkörperformen. Grundsätzlich hat der Kühlkörper bei diesen Transistortypen keinen direkten Kontakt mit dem Bauteil. Die Besonderheit liegt an dem sogenannten „Heat slug“, welcher sich auf der Unterseite befindet und hierüber die Verlustwärme an die Umgebung abgibt. Anders als bei anderen Bauteilen, erfolgt der Wärmeeintrag also direkt in die Leiterkarte. Angepasste D PAK Kühlkörper aus Kupfermaterial, beschichtet mit einer lötfähigen Oberfläche, werden auf der Leiterkarte auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche aufgelötet. Diese wiederum ist über das Lötpad des Bauteils verbunden, nimmt hierüber die Verlustwärme des Bauteils auf und leitet die Wärme mittels der freien Konvektion an die Umgebungsluft ab. Die Gestaltung der genannten Wärmspreizfläche kann relativ frei erfolgen, da keinerlei Bohrungen in der Leiterkarte benötigt werden. Das bietet ebenfalls den Vorteil der einfachen Integration in den Bestückungs- und Lötprozess, da der Kühlkörper, gegurtet auf einer Spule als Tape & Reel, wie ein sonstiges SMT-Bauteil verarbeitet und behandelt werden kann.
Für andere SMD-Bauteile oder Transistoren auf der Leiterkarte, stehen gleichfalls kleinste SMD-Kühlkörper in Form von Strangpressprofilen zur Verfügung. SMD-Kühlkörper sind in ihrer Geometrie und ihrem Gewicht für die Oberflächenmontage auf Leiterkarten angepasst. Das geringe Eigengewicht der SMD-Kühlkörper erlaubt eine direkte Montage auf der Bauteiloberfläche, ohne die Verlötung des Bauteils auf der Leiterkarte durch mechanischen Stress zu beschädigen. SMD-Kühlkörper werden im Standard mit zwei verschiedenen Oberflächenbeschichtungen angeboten. Schwarz eloxiert veredelte SMD-Kühlkörper sind mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien oder 2-komponentigen Epoxidharzwärmeleitklebern direkt auf dem Bauteil aufzukleben. Die Auswahl der richtigen Klebverbindung richtet sich stets nach der Applikationsumgebung und dessen Anforderungen sowie Einbaulage der Elektronikeinheit.
Als zweite Beschichtungsform dient eine lötfähige Veredelung. Hierdurch lassen sich die Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte, genauer gesagt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, die mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufbringen. Wie bereits bei den D PAK Kühlkörpern beschrieben, nehmen auch SMD-Kühlkörper die vom Bauteil an die Wärmespreizfläche weitergeleitete Verlustwärme auf und leiten diese an die Umgebung ab. Standardmäßige Verpackungsformen, wie Tape & Reel oder Stangenmagazin, gewährleisten ebenso den automatisierten Bestückungsprozess auf der Leiterkarte.
Für Wärme auf der Leiterkarte
Steigt die Verlustwärme der jeweiligen auf der Leiterkarte verbauten Bauteile und sind die bisherigen genannten Kühlkörperformen für eine zuverlässige Entwärmung nicht ausreichend, dann stehen dem Anwender weitere Leiterkartenstrangkühlkörper zur Verfügung. Diese sind allerdings von ihren Abmessungen gegenüber den SMD-Kühlkörpern deutlich größer, eignen sich aber hervorragend für eine gezielte der klassischen Transistorbauformen, wie TO 220, TO 218, TO 247, SIP-Multiwatt oder auch MAX-Typen. Das zu entwärmende Bauteil wird direkt mit dem Leiterkartenkühlkörper montiert und als Einheit auf der Leiterkarte verbaut.
Aus thermischen und montagetechnischen Gesichtspunkten bieten Leiterkartenstrangkühlkörper eine effiziente Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte. Die Befestigung der genannten Einheit auf der Leiterkarte erfolgt über einen oder mehrere im Kühlkörper eingepresste Lötstifte. Die Lötstifte aus Messingmaterial sind je nach Kühlkörperausführung als Leichtspann- oder Vollstift ausgeprägt und mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung veredelt. Hierdurch wird bei der Lötung der Leiterkarte sowohl das elektronische Bauelement als auch der Kühlkörper im gleichen Arbeitsschritt mit der Leiterkarte fixiert. Spezielle im Kühlkörper integrierte Einpressgeometrien gewährleisten darüber hinaus einen unverlierbaren, festen und sicheren Halt der Lötstifte.
Für horizontale oder vertikale Einbausituationen der Leiterkarte in der Funktionseinheit, stehen gleichermaßen auf die Einbaulage angepasste Leiterkartenkühlkörper zur Auswahl. Die Ausrichtung der Rippengeometrie ist jeweils optimal, die freie Konvektion unterstützend, angeordnet. Die eigentliche Bauteilmontage auf dem Kühlkörper kann ebenfalls auf unterschiedliche Weise erfolgen. Gemäß häufig verwendeter Montageart ermöglichen im Profil eingebrachte Befestigungslöcher und Lochbilder eine Schraubbefestigung oder eine Befestigung der Transistoren mittels formangepasster Sattelfedern, den sogenannten Transistorhaltefedern. Die jeweiligen auf die Bauteile abgestimmten Federklammergeometrien gewährleisten auch bei dem Einsatz von Leiterkartenstrangkühlkörpern durch ihren hohen Anpressdruck einen optimalen Wärmeübergang zwischen Bauteil und Kühlelement sowie eine einfache und schnelle Montage mit sicherem Halt.
