SMD – Bauteile und Kühlkörper - Innovative Wärmeableitung auf engstem Raum

Nun hat sich aber mit der Etablierung der SMD-Technik (SMD=Surface Mount Device also oberflächnmontiertes Bauteil) nicht nur auf der Applikationsseite und bei den Bestückungsautomaten vieles verändert, auch im Bereich der Entwärmung der Bauteile führen diese neuen Gegebenheiten zu konkreten Herausforderungen für geeignete Lösungen! Die bislang erreichte Integrationsdichte, als auch die schaltungstechnischen Funktionen, ergeben zum Teil sehr große Verlustwärmemengen, die, bei den kleinen Gehäuseabmessungen durchaus ein Problem darstellen und für die Entwärmung große Innovationen und Kreativität erfordern. Neben den allbekannten Kleinsignal- und Digitaltransistoren, sind nun auch Mittelleistungstransistoren in SMD-Gehäusen ( z.B: SOT89 u.a.) verfügbar deren Einzelverlustleistungen 0,5 bis 1,2 Watt betragen. Mit geeigneter Entwärmung wären aber Verlustleistungen von 2 bis 20 Watt möglich, dann ließen sich diese Transistoren als Hochspannungsschalter oder Leistungstransistoren verwenden, selbst DC/DC Wandler wären möglich - alles im SMD-Gehäuse! Das ist aber nun die Schwierigkeit - bei hohen Packungsdichten auf der Leiterkarte sind die dann erforderlichen großen Kupferflächen für die Entwärmung nicht angezeigt, der SMD-Bauteilevorteil wäre zunichte gemacht. Sicherlich gibt es weitere Methoden der Entwärmung, z.B. bei der Verwendung von sogenannten "metal core" Leiterkarten die, wie der Name andeutet, einen inneren Kern aus z.B. Aluminium beinhalten, über den dann die Verlustwärme verteilt und abgeleitet werden kann; die hohen Kosten für diese Art Leiterkarten sind aber meist nicht gerechtfertigt. Eine weitere Möglichkeit wäre die Auswahl geeigneter SMD-IC bei denen die Plazierung des inneren Kristalls, des "die", mittels sogenannter kupferner "heat-slug". das sind wärmevermittelnde Kupfereinsätze die den IC-internen Wärmetransport zur Leiterkarte oder entgegengesetzt zur Oberfläche des IC lenken, zu erwägen. Bei einer Lenkung zur Leiterkarte können dann mittels sogenannter "thermal vias", kleinen Durchkontaktierungen die die Wärme durch die Leiterkarte unterhalb des IC auf die gegenüberliegende Leiterkartenseite transportieren, um dort z.B. auf einer größeren Kupferfläche oder auch einem kleinen Kühlkörper abgeleitet zu werden, Entwärmungen erfolgen. Bei der Version Lenkung der Verlustwärme zur Bauteileoberfläche ist dann die Verwendung von Kühlkörpern sehr gut geeignet, wobei als Problematik der IC-Technik, hier besonders die Diversifizierung der Gehäusefamilien, für die Auswahl geeigneter Kühlkörper eine zusätzliche Herausforderung ergeben. HF-Leistungs-IC, analoge IC mit Steuer- Regeltechnik und integriertem Leistungsteil, AD/DA und DC/DC- Wandler, Leistungsoperationsverstärker, Motortreiber sowie der gesamte Bereich der sogenannten " Power-SMD" Bauteile benötigen ausreichende Entwärmung durch geeignete Maßnahmen. Der Wärmewiderstand Sperrschicht zu Umgebung ( Rw J/A ) ist dabei sehr stark abhängig von der Pin-Anzahl des IC; z.B. hat ein P-QFP Gehäuse hier geringere Werte als ein P-DSO-Gehäuse, wobei die Berechnung der Effizienz des Wärmetransportes und der Wärmeableitung über die Gehäuseoberfläche und die Anschlüsse, als auch die der Leiterkarte, aufgrund komplizierter physikalisch-mathemastischer Zusammenhänge selbst approximativ nur mit rechnergestützter Software zu realisieren ist. Wird nun der Einsatz von Kühlkörpern zur Entwärmung der SMD-Bauteile erwogen, sind neben den zu berücksichtigenden Parametern Wärmewiderstand, Abmessungen (Volumen) und Gewicht des Kühlkörpers, besonders die Art der Fixierung, d.h. der Anbringung am IC, zu klären. Bislang sind vielfache Varianten von SMD-Kühlkörpern für die unterschiedlichen Gehäusetypen und -abmessungen für eine geeignete Klebebefestigung auf dem Bauteil vorhanden. Hierbei wird der Kühlkörper mittels geeigneter Klebstoffe, meist auf der Basis von Epoxydharz, auf das SMD-Bauteil aufgeklebt. Bei richtiger Anwendung ist dies ein sehr gut geeignetes Verfahren, da die SMD-Kühlkörper auf Grund ihrer Auslegung, besonders durch die anodisierte Oberfläche, hervorragende Klebeverbindungseigenschaften besitzen. Neben der Klebetechnik wird immer häufiger auch ein Kühlkörper auf einer Kupferanschlußfläche neben das SMD-Bauteil aufgelötet und reduziert somit Leiterkartenfläche, die sonst als bedeutend größere Kühlfläche nicht zur Bauteileplazierung zur Verfügung stünde. Die Verwendung von "thermal vias" (siehe oben), verbessert hierbei nochmals den Wirkungsgrad ganz erheblich. Kühlkörper für diesen Anwendungsfall sind mit lötfähigen Oberflächen aus Zinn-, Nickel- oder Weißbronzeschichten ausgestattet. Der Vorteil dieser Technik ist, daß hier im Herstellungsprozeß der Leiterplattenbestückung ein SMD-Kühlkörper wie ein SMD-Bauteil als "pick and place" verwendet werden kann, d.h. automatische Bestückung vom Gurt (tape), Tablett (tray) oder Schienenmagazin (tube) und der anschließender Lötvorgang sind integrativer Bestandteil der Produktion. Geeignet sind diese Art Kühlkörper sowohl für Wellenlöten als auch für Reflow Lötung mit Temperaturen >200 °C und z.B. einer " peak-zone" von 235 °C. Da der Trend zu größeren Leistungsdichten und damit höheren Verlustleistungen bei SMD - Gehäusen anhält, werden auch zukünftig neue oder verstärkte Probleme der Entwärmung zu lösen sein. Die Bauteilehersteller sind sich zwar der Problematiken bewusst, praxisgerechte Lösungen sind aber nur wenige vorhanden, weshalb eine interaktive Abstimmung zwischen Bauteileverarbeiter und Kühlelementehersteller oftmals gute Lösungen erbringt, da hier immer wieder neue Anwendungskonzepte erarbeitet werden, die dann zu adäquaten Produkten führen. Autor: Lothar Noelle (Fischer Elektronik GmbH & Co. KG)