9-2022

Elektromechanik

Elektromechanik SMD-Kühlkörper für die Leiterkarte Die Forderungen nach einer effizienten Entwärmung von elektronischen Bauelementen haben sich nicht vermindert. Gemäß dem Motto: Höher, schneller, weiter, benötigen auch die stetig steigenden Packungs- und Leistungsdichten der Halbleiter ebenso wie deren Miniaturisierung ein effizientes thermisches Management. SMD-Kühlkörper mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung können im normalen Bestückungsprozess wie ein Bauteil gehandhabt und verlötet werden Neben den bereits genannten Faktoren führen gleichfalls eine verstärkte Komplexität der Baugruppen wie auch die Zusammenfassung einzelner Funktionsbausteine zu einer Komponente, auf der Leiterkarte zu einer nicht gern gesehenen und auf Dauer schädlichen Verlustleistung, welche direkt in Wärme umgewandelt wird. Das bedeutet zwangsläufig, dass kritische Temperaturen der auf der Leiterkarte verbauten Elektronik zu vermeiden sind und die einzelnen Bauelemente innerhalb ihrer vorgeschriebenen Betriebstemperatur betrieben werden müssen. Bei nicht Beachtung können im Extremfall einzelne oder auch mehrere Teile der Funktionsbaugruppe zerstört werden. Es kann aber auch passieren, dass Bauteile nicht mehr im vollen Umfang ihre Spezifikation erfüllen, was allerdings im Sinne der Zuverlässigkeit und Lebensdauer gleichfalls einen Ausfall darstellt. Die Bedeutung der Entwärmung nimmt zu Zu viel Wärme schadet allerdings nicht nur den elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, sondern ebenfalls können langfristig Lötstellen sowie das Leiterkartenmaterial selbst in Mitleidenschaft gezogen werden. Aufgrund der genannten stetig voranschreitenden Trends in der Halbleiterindustrie ist daher, ebenfalls auf der Leiterkarte, ein ausreichendes Wärmemanagement von zentraler Bedeutung. Dieses muss individuell auf die jeweilige spezifische Anwendung und die Temperaturbedingungen der verbauten Bauteile, aber auch auf die Umgebungsbedingungen des Gesamt systems, ausgelegt sowie angepasst werden. Darüber hinaus ist es Entwicklern empfohlen, sich bereits in einer frühen Designphase mit dem Problem der Wärmeentwicklung und dem Wärmemanagement zu befassen, um letztendlich die Zeit und die Kosten bis zur Markteinführung möglichst gering zu halten. Eine unzureichende Betrachtung bzw. Optimierung muss meistens nachträglich durch kostensteigernde und aufwendige Maßnahmen kompensiert werden. Als Träger der elektronischen Bauteile ist die Leiterkarte die Hauptkomponente für das Erreichen eines stimmigen Wärme managements. Die häufig verwendeten FR4 Leiterkarten eignen sich aufgrund des niedrigen Wärme leitwertes meist nicht für wärmeintensive Anwendungen. Hierfür kommen oftmals andere Leiterkartentechnologien, wie u. a. Dickkupfer- oder Metallkern-Leiterkarten (IMS, Insulated Metal Substrate) zum Einsatz. Diese können darüber hinaus mit zusätzlichen Thermal Via Arrays, wie z. B. Via-in-Pad oder Via mit Epoxid gefüllt und mit Kupfer überplatiert (Filled & Capped-Vias), zur besseren Wärmeabfuhr ausgestattet werden. Führen allerdings sämtliche schaltungstechnischen Maßnahmen und Optimierungen auf der Leiterkarte nicht zum gewünschten wärmtechnischen Erfolg, so ist der Einsatz von Kühlkörpern essentiell und unabdingbar. Kompakte Kühlkörper- Bauform Bei vielzähligen Schaltungs- bzw. Leiterkartendesigns korreliert die Menge der in die Umgebung abzuführenden Wärmemenge mit der Oberflächengröße als auch deren Gestaltung, weshalb für das Entwärmungskonzept eine optimierte und kompakte Bauform des Kühlkörpers bevorzugt gefordert wird. Neben intelligenter Leiterkartengestaltung, effektiven Schaltungskonzepten und sinnvoller Bauteileauswahl müssen gleichwohl, wie bereits erwähnt, die thermischen Belange berücksichtigt werden. Dieses erfordert für die jeweilige Applikation die geeigneten Kühlkörper auszuwählen und diese optimal auf den Bauteilen oder direkt auf der Leiterkarte zu platzieren. Unterschiedliche Board Level Kühlkörper Autor: Dipl. Physik Ing. Jürgen Harpain, Entwicklungsleiter Fischer Elektronik www.fischerelektronik.de Bild 1: Effiziente Entwärmung von elektronischen Komponenten auf der Leiterkarte mittels sogenannter Board Level Kühlkörper als Blechbiegeteil aus Aluminium oder Kupfer Verschiedenartige Kühlkörpertypen zur effizienten Entwärmung von elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte, den so genannten Board Level Kühlkörpern (Bild 1), 136 PC & Industrie 9/2022

Elektromechanik Bild 2: Verschiedenartige SMD-Kühlkörper können je nach Oberflächenausführung direkt auf das Bauteil aufgeklebt oder auf der Leiterkarte aufgelötet werden stehen hierfür zur Verfügung. Ausgerichtet auf die unterschiedlichen Bestückungsarten, wie die klassische Durchsteckmontage (IMT, Insertion-Mount-Technology) oder der Oberflächenmontage (SMT, Surface-Mount-Technology), existieren zahlreiche Lösungen für ein passendes thermisches Management. Diverse Kühlkörpervarianten als Strangpressprofil, Kupfer- oder Aluminiumblechbiegeteil, liefern kostengünstige und zuverlässige Lösungen zur Bauteilent wärmung auf der Leiterkarte. SMD-Kühlkörper: Klein, aber äußerst effizient Für die Entwärmung von SMD- Bauteilen auf der Leiterkarte, stehen spezielle gleichnamige, sehr kompakte SMD-Kühlkörper (Bild 2) zur Verfügung. Bei SMD-Bauteilen besteht keine Notwendigkeit von verdrahteten Anschlüssen, so dass SMD-Bauteile direkt mittels löt fähiger Anschlussflächen (SMT) auf die Leiterkarte aufgelötet werden können. SMD-Kühlkörper bestehen aus einer hochwärmeleitenden Aluminiumlegierung und werden im Extrusionsverfahren hergestellt. Die jeweilige Kühlkörpergeometrie sowie deren Gewicht sind für eine Oberflächenmontage auf Leiter karten angepasst. Der kleinste im Strangpressverfahren herstellbare SMD-Kühlkörper hat gerade einmal eine Kontaktoberfläche von 31,5 mm², was einem Gewicht von 0,24 g entspricht. Aufgrund des sehr geringen Eigengewichtes der SMD-Kühlkörper ist gleichfalls eine direkte Montage auf der Bauteiloberfläche möglich, ohne hierbei die Verlötung des Bauteils auf der Leiterkarte durch mechanischen Stress zu beschädigen. Zwei Montagearten Die Montage der jeweiligen SMD- Kühlkörper kann auf zwei unterschiedlichen Arten erfolgen. Die Kleinkühlkörper für die Leiterkarte werden mit zwei unterschiedlichen Oberflächenausführungen angeboten. Standardmäßig sind die SMD- Kühlkörper mit einer schwarz eloxierten Oberfläche erhältlich. Das schwarze Eloxal bringt gemäß physikalischer Gesetze in Punkto der Wärmeableitung einige thermische Vorteile in der Performance mit sich. Die Befestigung der schwarz eloxierten SMD-Kühlkörper auf dem Bauteil erfolgt durch doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder 2-komponentige Epoxidharzwärmeleitkleber. Die Auswahl der richtigen Klebverbindung richtet sich stets nach der Applikationsumgebung. Bei fachgerechter Anwendung und Reinigung der zu verklebenden Bauteile, dienen die genannten Wärmeleitmaterialien als vollständiger Ersatz einer mechanischen Verbindung. Kühlkörper auflöten Neben der Klebetechnik werden je nach Leiterkartendesign und Bauteilbeschaffenheit auch immer häufiger SMD-Kühlkörper direkt neben dem Bauteil oder sogar an einer anderen Stelle auf der Leiterkarte, auf einer separaten Kupferanschlussfläche, aufgelötet (Bild 3). Hierfür besteht im Hause Fischer Elektronik die Möglichkeit SMD-Kühlkörper komplett mit einer löt fähigen Beschichtung aus Reinzinn zu versehen. Kundenseitig wird mit unter neben der thermischen Performance des SMD-Leiterkartenkühlkörpers, auch ein besonderer Wert auf die gute Lötbarkeit gelegt. Die eingesetzten Beschichtungen aus Reinzinn, entsprechen schon seit vielen Jahren den Anforderungen heutiger EU-Direktiven, wie z. B. RoHS, um den heutigen Umweltricht linien und den Besonderheiten der Elektronikindustrie zu entsprechen. Trotz der Verwendung von modernen, nicht oder nur wenig aktivierten feststoffarmen Flussmitteln, liefern die Beschichtungen eine hervor ragende Lötfähigkeit sowohl bei Wellen- als auch einer Reflowlötung. Somit lassen sich die Kühlkörper direkt auf der Leiterkarte, genauer gesagt auf eine vorhandene Kupfer-Wärmespreizfläche, welche mit dem zu entwärmenden Bauteil verbunden ist, mittels Reflow- oder Wellenlötverfahren aufbringen. Bild 3: Gleichfalls für elektronische Bauteile mit einem „Heat slug“ gewährleisten lötfähige SMD-Kühlkörper auf der Leiterkarte ein effizientes thermisches Management Heat slug Bei derartigen SMD-Komponenten, wie z. B. D PAK, LF PAK, erfolgt der interne Wärmetransport an die Umgebung, nicht wie gewöhnlich über das Kunststoffgehäuse auf der Oberseite, sondern über ein so genannten „Heat slug“ auf der Unterseite vom Bauteil in die Leiter karte. Von hier aus wird nun die entstehende Wärme mittels Kupfer leiterbahnen auf der Leiterkartenoberfläche, oder mittels Durchkontaktierungen in der Leiterkarte aus Kupfer (Thermal Via), an die entsprechende Wärmespreizfläche transportiert, an welche der Kühlkörper aufgelötet ist. Der Kühlkörper nimmt die vom Bauteil an die Wärmespreizfläche weitergeleitete Verlustwärme auf und leitet diese an die Umgebung ab. Die Gestaltung der genannten Wärmspreizfläche kann relativ frei erfolgen, da keinerlei Bohrungen zur Fixierung des Kühlkörpers in der Leiterkarte benötigt werden. Lötfähige SMD-Kühlkörper bieten einen weiteren gravierenden Vorteil durch die einfache Integration in den Bestückungs- und Lötprozess der Leiterkarte. Aufgrund standardmäßiger Verpackungsformen, wie Tape & Reel (Gurt & Spule) oder Stangenmagazine, kann der SMD-Kühlkörper wie ein sonstiges Bauteil verarbeitet und behandelt werden. Die Lage des SMD-Kühlkörpers im Gurt, der Spulendurchmesser sowie die Gurtbreite werden nach individuellen Kundenvorgaben gestaltet. Je nach Art und Funktionen der Bestückungsmaschine können die einzelnen Kühlkörper darüber hinaus Rippen seitig mit einer Bestückungshilfe, einem aufgeklebten Kaptonpunkt (Bild Aufmacher), versehen werden. Hierdurch ist es möglich den SMD-Kühlkörper Rippenseitig ohne Drehung anzusaugen und auf der Leiterkarte mit der Bodenfläche nach unten zu platzieren. Alles in allem liefern die in diesem Bericht angesprochenen SMD-Kühlkörper aus dem Hause Fischer Elektronik, ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit des Materials, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit, in Relation zum Wärmeableitvermögen, gewährleisten ein effizientes thermisches Management für die Leiter karte. ◄ PC & Industrie 9/2022 137