Der Begriff Board-Level-Kühlkörper hat sich in der Fachwelt des Wärmemanagements über die Jahre hinweg eingedeutscht und steht eigentlich für den Begriff Fingerkühlkörper. Fingerkühlkörper liefern gute Möglichkeiten der Entwärmung von elektronischen Bauteilen, welche direkt auf einer Leiterkarte verbaut sind. Heutzutage sind Leistungshalbleiter nicht mehr separiert, sondern zusammen mit der Ansteuerung und der Signalverarbeitung auf der Funktionsleiterkarte im Einsatz. Die entstehende Verlustwärme dieser Bauteile ist nicht unerheblich und erfordert daher ein effizientes Wärmemanagement.

Bild 1: Fingerkühlkörper in Form von Aufsteckkühlkörpern ermöglichen eine sichere Montage mit großer Anpresskraft auf dem Bauteil.

Bild 1: Fingerkühlkörper in Form von Aufsteckkühlkörpern ermöglichen eine sichere Montage mit großer Anpresskraft auf dem Bauteil. Fischer

Verschiedenartige Varianten an Fingerkühlkörpern, welche besonders an die SMT-Bauteile angepasst sind, finden hier häufig ihren Einsatz. Fingerkühlkörper sind direkt an dem zu entwärmenden Bauteil befestigt und entwärmen dieses gezielt. Unterschiedliche Leistungsklassen der Halbleiter und die Vielzahl der auf dem Markt erhältlichen Gehäusebauformen benötigen zudem eine größere Varianz an geeigneten Fingerkühlkörpern. Darüber hinaus suchen Anwender nach Lösungen, welche sich einfach, schnell und ohne großartigen Montageaufwand an dem Bauteil befestigen lassen.

Eck-Daten

Die Anforderungen an das Thermomangement elektrischer Bauteile steigen kontinuierlich an. Immer kleinere Leiterkarten sind mit immer leistungstärkeren Bauteilen bestückt, die zunehmend höhere Temperaturen verursachen. Um die Wärme abzuleiten, werden Board-Level-Kühlkörper (Fingerkühlkörper) direkt an dem zu entwärmenden Bauteil angebracht und können diese somit direkt kühlen. Auch hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Lötverfahren bieten Board-Level-Kühlkörper Vorteile.

Die Entwickler haben die vorhandenen Entwärmungskonzepte für Fingerkühlkörper in den vergangenen Jahren stetig an die Erfordernisse des Marktes angepasst, was zu einem Innovationsschub an geeigneten und praktikablen Lösungen geführt hat. Der Einsatz von Kühlkörpern auf der Leiterkarte ist vielfach erforderlich, nur ist dieses aufgrund von immer kleiner werdenden Leiterkartendesigns nicht immer gerne gesehen. Entwärmungskonzepte mittels wärmeleitenden Thermal Vias oder Thermal Inlays an metallischen Zwischen- oder Außenlagen, sogar die Verwendung von Flüssigkeitskühlkanälen, wären demgegenüber allerdings eine zu aufwendige und kostspielige Lösung.

Board-Level-Kühlkörper für die Leiterkarte

Das thermische Management für eine Bauteilentwärmung auf der Leiterkarte geht von der Überlegung aus, dass es nötig ist, einzelne oder mehrere elektronische Bauteile gezielt zu kühlen. Passend 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 (Bild 1), ermöglichen auf kleinstem Einbauraum geeignete Möglichkeiten der Entwärmung.

Board-Level-Kühlkörper beinhalten als Produktgruppe ebenfalls Aufsteck- und Kleinkühlkörper für verschiedenartige Transistorbauformen. Fingerkühlkörper in ihrer kompakten Bauweise liefern in punkto Wärmeabfuhr effiziente Möglichkeiten der Entwärmung bei bestmöglicher Oberflächengröße per Volumen. Sie bestehen im Aufbau aus einer Grundfläche, welche gleichzeitig als Montage- beziehungsweise Auflagefläche für den Transistor nutzbar ist. Abstehend von dieser Grundfläche bilden gerade oder abgewinkelte Finger, welche als Rippenstruktur fungieren, die Kühlkörperform. Die Rippengeometrie der Finger verleiht diesen Kühlkörpern ihren Namen und leitet die über die Grundplatte aufgenommene Wärme über die Rippenstruktur an die Umgebung ab.

Bild 2: Spezielle im Fingerkühlkörper integrierte Klammern mit Anschlagkante gewährleisten das Einschieben des Transistors, auch bei kleinerer Bodenplatte.

Bild 2: Spezielle im Fingerkühlkörper integrierte Klammern mit Anschlagkante gewährleisten das Einschieben des Transistors, auch bei kleinerer Bodenplatte. Fischer

Die Befestigung des Bauteils auf oder an dem Fingerkühlkörper erfolgt mittels der im Fertigungsprozess eingebrachten Klammer-Geometrien (Bild 2) über in der Grundplatte eingebrachte Befestigungslöcher und Lochbilder für eine Schraubmontage oder über spezielle Transistorhaltefedern. Alle genannten Befestigungsarten gewährleisten einen hohen Anpressdruck zur Montagefläche, liefern somit eine gute thermische Verbindung sowie einen festen Sitz mit sicherem Halt. Für horizontale oder vertikale Einbaulagen von verschiedenartigen Transistoren auf der Leiterkarte sind ebenfalls alle genannten Befestigungsarten und Fingerkühlkörper möglich. Die Fingerkühlkörper enthalten zur Einlötbefestigung integrierte oder extra angepresste Lötstifte, wodurch sich die Einheit Bauteil/Kühlkörper auf der Leiterkarte befestigen und zusätzlich mechanisch stabilisieren lässt.

Lötbarkeit sicherstellen

Varianten als Board-Level-Kühlkörper mit schwarz eloxierter Oberfläche sind ebenfalls verfügbar. Sie besitzen extra angeschlagene, verzinnte Lötstifte und bringen in punkto Wärmeableitung aufgrund der schwarzen Oberfläche, genauer gesagt bei der Wärmestrahlung, einige Vorteile mit sich. Fingerkühlkörper mit einem direkt im Fertigungsprozess integrierten Lötstift sind vollflächig mit einer lötfähigen Oberflächenbeschichtung gemäß der EU-Richtlinie RoHS überzogen. Die angewendeten lötfähigen Oberflächenbeschichtungen sollen, unabhängig vom eingesetzten Lötverfahren, die Lötbarkeit sicherstellen, sowohl bei einer Wellen- als auch Reflowlötung. Darüber hinaus verfügen die Lötschichten über eine entsprechende Lötbarkeit sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit und Alterungsbeständigkeit, sodass die beschichteten Fingerkühlkörper auch noch nach einem längeren Zeitraum gut zu verlöten sind.

Bild 3: Kupferkühlkörper mit guter Wärmeleitfähigkeit eignen sich für eine direkte Leiterkartenmontage durch ihre lötbare Oberflächenbeschichtung.

Bild 3: Kupferkühlkörper mit guter Wärmeleitfähigkeit eignen sich für eine direkte Leiterkartenmontage durch ihre lötbare Oberflächenbeschichtung. Fischer

Im Bereich der oberflächenmontierten elektronischen Bauteile kommen vermehrt die Gehäuseformen der Reihen D PAK (TO 252), D2 PAK (TO 263) und D3 PAK (TO268), sowie LF PAK (SOT 669) zum Einsatz. Ausgehend von einem ursprünglichen Power-MOSFET-Design für DC/DC-Wandler, sind die Gehäusebauformen LF PAK (Loss Free Package) von geringerer Baugröße als die Baureihen D PAK und haben darüber hinaus eine bessere Performance. Aufgrund der Oberflächenmontage des Bauteils und einem auf der Unterseite befindlichen Heat Slug, über dem die entstehende Verlustwärme in die Leiterkarte abgegeben wird, hat der Kühlkörper keinen direkten Kontakt mit dem Bauteil. Gemäß dem thermischen Pfad erfolgt der Wärmeeintrag von der Unterseite des Bauteils in die Leiterkarte. Dort nimmt ein angepasster Fingerkühlkörper mit spezieller Formgebung die Wärme auf (Bild 3) und leitet diese mittels der natürlichen Konvektion an die Umgebungsluft ab.

Wirtschaftliche Herstellungsverfahren

Die genannten Board-Level-Kühlkörper lassen sich mittels unterschiedlicher Maschinen- und Werkzeugtechnologien herstellen. Fingerkühlkörper liefern in der Summe die oftmals seitens der Anwender geforderte Kompaktheit sowie eine bestmögliche Oberflächengröße per Volumen. Produktionstechnisch sind Board-Level-Kühlkörper allerdings kostenintensiver, da bei der Herstellung aufwendige und teure Stanz-Biege-Werkzeuge zum Einsatz kommen. Zur Auswahl steht hierbei eine Fertigung mittels verschiedener Stanzbiegeautomaten (Bild 4). Je nach zu erwartender Stückzahl ist die Fertigungstechnologie und -abfolge im Vorfeld zu analysieren und anschließend festzulegen.

Bild 4: Individuelle Fertigungsmöglichkeiten ermöglichen die Produktion von Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupfermaterial zu geringen Stückkosten.

Bild 4: Individuelle Fertigungsmöglichkeiten ermöglichen die Produktion von Fingerkühlkörper aus Aluminium- oder Kupfermaterial zu geringen Stückkosten. Fischer

Der Einsatz von Folgeverbundwerkzeugen ist bei der Herstellung von Blechbiegeteilen in der Industrie weit verbreitet und etabliert. Hierbei durchläuft das Blech mehrere Stationen, wobei jede Station eine Operation am Bauteil beziehungsweise an dem zugeführten Materialband ausführt. Der Transport erfolgt anhand von Führungslöchern im Materialband, das die Bauteile von Station zu Station befördert und an der letzten Bearbeitungsstation vom Materialstreifen trennt. Ein Transportband liefert das fertige Bauteil aus Aluminium- oder Kupfermaterial im Anschluss bei der Verpackungsstation ab. Folgeverbundwerkzeuge kommen häufig bei großen Stückzahlen zum Einsatz, um die Bauteilkosten so gering wie möglich zu halten. Die Hauptvorteile von Folgeverbundwerkzeugen sind die erhöhte Produktivität und die Kostenreduktion bei hohen Stückzahlen.

Spezielle Eigenschaften von Fingerkühkörpern hinsichtlich ihrer Befestigungsmöglichkeiten ermöglichen eine deutliche Arbeitsersparnis sowie Senkung der Montagekosten bei der Leiterplattenbestückung, da verschiedene Verpackungsformen, wie Gurt und Spule, Tablett oder Stangenmagazin, ebenfalls den automatischen Bestückungsprozess unterstützen. Generell haben sich die Forderungen für die Entwärmung von elektronischen Bauelementen auf der Leiterkarte nicht vermindert. Aufgrund stetig steigender Packungs- und Leistungsdichten, Bauteilminiaturisierung und verstärkter Komplexität der Baugruppen sowie der Zusammenfassung einzelner Funktionsbausteine zu einer Komponente, ist zu erwarten, dass der zu leistende Aufwand für eine geeignete Entwärmung auch zukünftig kontinuierlich wächst. Die Auswahl eines geeigneten Kühlkonzeptes ist ausschlaggebend für die technisch einwandfreie und kostengünstige Entwärmung bei elektronischen Bauteilen auf der Leiterkarte.