So lassen sich elektronische Bauteile richtig montieren

Die sogenannten Transistorhaltefedern garantieren allesamt einen hohen Anpressdruck sowie einen dauerhaften und zuverlässigen Kontakt des elektronischen Bauteils auf der Wärmesenke. Eine fachgerechte und sichere Montage der elektronischen Bauteile z.B. auf einem Kühlkörper ist von großer Bedeutung, um kleinste Wärmeübergangswiderstände zwischen der Kontaktpaarung zu realisieren. Die Befestigung der Halbleiter wird bei vielen Applikationen von den Anwendern als Kostenreduktionsfaktor bewertet. Sie muss somit so einfach und schnell als möglich erfolgen ohne jedoch Sicherheit und mechanische Aspekte zu vernachlässigen. Besonders bei einer Bauteilmontage in Verbindung mit Wärmeleitfolien (TIM), gilt es, auf die Art und Weise der möglichen Befestigungsmethode zu achten.

Als Beispiel dient eine Anwendung bei der wärmeleitendes Gap-Filler-Material eingesetzt wird. Wärmeleitfolien in den unterschiedlichen Ausführungen werden typischerweise verwendet, wenn es darum geht, herstellungsbedingte Toleranzen auszugleichen. Kleinere Unebenheiten sind sehr gut mithilfe von dünnen Folien oder Wärmeleitpasten zu eliminieren, hingegen müssen größere Abweichungen im Bereich von einigen Zehnteln durch dickere Folien ausgeglichen werden.

Druckabhängige Gel-Folien

Hierfür eignen sich besonders druckabhängige Gel-Folien. Diese sind in den Materialstärken von 0,5 bis 8 mm in Schritten von 0,5 mm verfügbar und bestehen aus sehr weichen Elastomeren auf Silikonbasis. Je nach Härtegrad können diese Folien in der Applikation um bis zu 50 Prozent ihrer Materialstärke komprimiert werden, schmiegen sich der Kontaktpaarung sehr gut an und gleichen kleinste Unebenheiten flächig aus.

Der für die Folienkompression notwendige Anpressdruck muss groß genug sein, um das Material vernünftig und thermisch richtig zwischen der Kontaktpaarung in der Applikation langfristig einzusetzen. Andererseits darf der aufgebrachte Druck nur so hoch sein, dass eine Beschädigung der Leiterplatte, der Lötverbindungen oder gar der Bauteile ausgeschlossen wird. Das Beispiel zeigt, dass eine sorgfältige Auswahl der jeweiligen zur Applikation passenden Befestigungsmethode der elektronischen Bauteile ebenso wichtig ist, wie die thermisch richtige Auslegung der zur Applikation passenden Entwärmungsmethode.

Schrauben oder Kleben zur Befestigung elektronischer Bauteile

Für die Befestigung von elektronischen Bauteilen auf einer Entwärmungskomponente stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung. Neben der klassischen Schraubmontage bieten sich weiterhin eine Bauteilbefestigung mittels doppelseitig klebender Wärmeleitfolien, Wärmeleitkleber und Transistorhaltefedern an. Wobei die Transistorhaltefedern nochmals in unterschiedliche Bauformen und Funktionsweisen unterteilt sind.

Die Schraubmontage ist zu empfehlen, wenn die Elektronikeinheit oder die gesamte Applikation gewissen Vibrations- und Schockbelastungen ausgesetzt ist. Dies gilt im speziellen für größere Power-Module, wie z.B. SSR und IGBT, bei denen seitens der Hersteller im dazugehörigen Datenblatt bestimmte Anzugs- uns Auszugsdrehmomente für eine fachgerechte Montage vorgegeben werden.

Strangkühlkörper als Entwärmungskonzept

Bei der Verwendung von Strangkühlkörpern als Entwärmungskonzept sind gewisse Faktoren zu berücksichtigen. Die Montage der Bauteile wird aufgrund der verwendeten Aluminiumlegierung und dessen Härte erschwert, wodurch je nach Vorgabe, die vom Hersteller festgelegten Anzugsmomente nicht immer einzuhalten sind. Spezielle und auf die Verwendung der genannten Bauteiltypen abgestimmte Hochleistungskühlkörper besitzen sehr starke Halbleitermontageflächen, sodass DIN-gerechte Gewindetiefen ohne Probleme in den Kühlkörperboden eingebracht werden können.

Um Anzugs- und Auszugsdrehmomente von Schraubverbindungen zu erhöhen, können optional in die Gewindebohrungen zusätzliche Drahtform-Gewindeeinsätze (Helicoil) eingedreht werden. Die Helicoil Gewindeeinsätze bieten bei der Bauteilmontage nach speziellen Vorgaben eine sehr gute Lösungsmöglichkeit für stark belastete Normgewinde mit hohen Scherfestigkeiten. Erfordert die Anwendung ein zusätzliches Losdrehmoment der Schraubverbindung, kann dieses relativ einfach mittels handelsüblicher Schraubensicherungen, auch als Mikroverkapselung, umgesetzt werden. Die Mikroverkapselung ist ähnlich einem Lacküberzug, welcher aus einem Härter- sowie Binderanteil besteht und auf das Schraubengewinde aufgebracht wird. Der Verschraubungsvorgang bricht die aufgebrachte Verkapselung auf, sodass sich Kleber und Härter vermischen, was zu einer chemischen Reaktion, auch Polymerisation genannt, führt. Hierdurch wird eine zuverlässige Sicherung gegen selbstständiges Losdrehen mit zusätzlichen dichtenden Eigenschaften gegeben.

Neben der klassischen Schraubenverbindung können die Transistoren Anwender-seitig je nach Applikation, auch mit Klebematerialien auf dem Kühlkörper befestigt werden. Hierzu bietet Fischer Elektronik als Klebbefestigung die Optionen  thermisch leitfähiger Zweikomponentenkleber auf Epoxidbasis oder doppelseitig klebender Wärmeleitfolien. Der Wärmeleitkleber klebt poröse, nicht poröse Oberflächen von Metallen, keramische Stoffe sowie Glas und Kunststoffe. Eine Aushärtung der Vermischung von Härter und Binder erfolgt bei Raumtemperatur über ca. 16 Stunden, kann aber durch zusätzliche Temperaturzuführung beschleunigt und verkürzt werden.

Eine weitere Alternative einer Klebeverbindung sind doppelseitig klebende Wärmeleitfolien. Die Folien sind beidseitig mit Arcylat-Kleber beschichtet, welcher durch Druck beim Zusammenfügen der Kontaktpaarung reagiert und die zu verbindenden Elemente sicher miteinander befestigt. Eine Betrachtung der Unebenheiten der Kontaktpaarung, muss allerdings im Vorfeld der Anwendung oder Festlegung erfolgen.

Die Folien besitzen eine Materialstärke von einigen Zehnteln, wodurch keine großen Unebenheiten ausgeglichen werden. Bei größeren zu verklebenden Bauteildifferenzen zwischen der Kontaktpaarung kann es somit passieren, dass sich die Klebefolie lediglich den Unebenheiten anschmiegt und nur an den äußeren Kanten Kontakt findet und so zu einem geringeren Halt der Verbindung führt. Sämtliche Klebematerialien erfordern vor der Anwendung eine saubere und trockene Oberfläche ohne jegliche Oberflächenverunreinigungen.

Funktionelle Transistorhaltefedern

Eine weitere schnelle und einfache Montageart zur Befestigung elektronischer Bauteile auf einem Kühlkörper ist durch sogenannte Transistorhaltefedern gegeben (Bild 1). Transistorhaltefedern für die unterschiedlichsten Transistorbauformen liefern sehr gute Lösungsmöglichkeiten zur Bauteilbefestigung, gerade für die im Produktprogramm von Fischer Elektronik enthaltenden Leiterkartenkühlkörper. Diese Kühlkörpergruppe enthält zusätzliche integrierte oder eingepresste Lötstifte, wodurch der Kühlkörper und das mittels der Transistorhaltefedern fixierte Bauteil als Gesamteinheit in der Leiterkarte verlötet werden kann. Transistorhaltefedern besitzen eine Sattel-ähnliche Geometrie, wobei die mittige Rundung bei der Montage mittels Federwirkung den Anpressdruck auf das Bauteil ausübt.

Seitlich am jeweiligen Ende der Federgeometrie besitzen die unterschiedlichen Transistorhaltefedern eine Art Clipgeometrie, welche in den Kühlkörper von oben eingesteckt, auf der Unterseite der Halbleitermontagefläche einrastet. Hierfür sind im Kühlkörper spezielle Durchbrüche in Form von Langlöchern oder Durchgangsbohrungen in einem bestimmten Durchmesser, notwendig. Einmal eingerastet fixiert die Transistorhaltefeder das Bauteil auf dem Kühlkörper sicher und schnell mit sehr gutem Anpressdruck. Transistorhaltefedern sind von ihrer Kontur und den Abmessungen auf die unterschiedlichen Arten von Transistoren, wie z.B. TO 126, SOT 32, SOT 82, TO 218, TO 220, TO 247 und TO 248 abgestimmt.

Weitere innovative Transistorhaltefedern zur Bauteilmontage von Fischer Elektronik sind die sogenannten Mehrfachtransistorhaltedern (Bild 2) und die Einrast-Transistorhaltefedern (Bild 3). Universelle Mehrfachtransistorhaltefedern besitzen an einem Streifen mehrere einzelne Haltelemente in einem bestimmten Abstand, wobei die Anzahl der Halteelemente von eins bis zehn frei ausgewählt und der Applikation angepasst werden kann. Der Haltfederstreifen wird mittels einer Schraubverbindung mit dem Kühlkörper befestigt, sodass über die Hebelwirkung die Federgeometrie von oben auf die Bauteile drückt oder als Alternative Montagemethode die Transistoren unter die Feder eingeschoben werden können.

Einrast-Transistorhaltefedern funktionieren sehr gut in Verbindung mit den dafür vorgesehenen Strangkühlkörpern zur Leiterkartenmontage (Bild 4). Diese enthalten eine spezielle, bereits im Profil integrierte Nutgeometrie, in die verschiedenartige Einrast-Transistorhaltefedern aus Edelstahl per Clipfunktion unverlierbar eingerastet werden. Einmal in der Nut des Kühlkörpers in Verbindung mit einem Transistor fixiert, hält die Einrast-Transistorhaltefeder unverrückbar ihre Position und bewirkt einen hohen Anpressdruck zur sicheren Montage auf dem Bauteil.

So entsteht ein optimaler Wärmeübergang zwischen der elektronischen Komponente und dem Kühlkörper. Die universellen Einrast-Transistorhaltefedern in Verbindung mit dem jeweiligen auf die abzuführende Verlustleistung angepassten Kühlkörper für eine Leiterkartenmontage erlauben eine sichere und schnelle Fixierung fast aller Arten und Größen von Transistorgehäuseformen, wie TO 220, TO 218, TO 247 etc., diverse SIP-Multiwatt- als auch lochlose MAX-Typen. (neu)