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Bauteile wollen bei der wärmetechnischen Kontaktierung richtig verbunden sein.

Bild: iStock, ISerg

Thermal-Interface-Materialien Auf die richtige Verbindung setzen

08.11.2019

Die Möglichkeiten, elektronische Baugruppen und Bauteile zu entwärmen, um sie in einem vorgegebenen Temperaturbereich langfristig und sicher zu betreiben, sind gleichermaßen vielfältig wie vielschichtig. Die richtige und optimale wärmetechnische Kontaktierung der zu kühlenden Bauteile auf der Wärmesenke hat hierbei einen maßgeblichen Einfluss.

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Das Entwärmungskonzept basiert oftmals auf einer applikationsspezifischen Berechnung des thermischen Widerstandes. Neben der thermischen Gesamtauslegung der Wärmesenke – ob passiv, aktiv oder mit Flüssigkeit gekühlt – gilt es nun, die zu entwärmenden elektronischen Bauteile fachgerecht auf der Entwärmungskomponente zu kontaktieren.

Hierfür liefern sogenannte Thermal-Interface-Materialien, auch TIM genannt, ausgezeichnete Lösungsansätze. Ihre Effizienz lässt sich anhand der Wärmeleitung des thermischen Pfades einer elektronischen Baugruppe ermitteln. Die Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des Wärmepfades wird bei gegebener Verlustleistung durch den thermischen Widerstand angegeben. Im Verlauf des thermischen Pfades muss der Wärmestrom verschiedene Einzelwiderstände überwinden. Die Addition dieser abschnittsbezogenen Widerstände ergibt den thermischen Gesamtwiderstand.

Je kleiner jeder einzelne Wärmübergangswiderstand, desto besser die Wärmeleitung und desto geringer der thermische Gesamtwiderstand. Infolgedessen ist es bei der Auslegung geeigneter Entwärmungskonzepte besonders wichtig, Engpässe im thermischen Pfad so früh wie möglich zu analysieren und diese wärmetechnisch zu optimieren. Besondere Aufmerksamkeit gebührt hierbei dem Wärmeübergang, genauer gesagt der wärmetechnischen Kontaktierung des Bauteils auf der Wärmesenke.

Wärmeleitmaterial auswählen

Vor der Auswahl von Wärmeleitmaterialien empfiehlt es sich, zunächst die mechanischen Gegebenheiten und Toleranzen der Kontaktpaarung zu betrachten. Je größer die zu kontaktierenden Oberflächen sind, desto mehr muss deren Konvexität oder Konkavität, auch die Torsion, berücksichtigt werden.

Grundsätzlich gilt die Regel, dass bei der Kontaktierung von zwei flachen Oberflächen, zum Beispiel eines Transistors auf einem Kühlkörper, ohne jegliche mechanische Nachbearbeitung, die effektive Kontaktfläche nur zwei bis fünf Prozent beträgt. Die verbleibende Fläche ist ein Luftpolster beziehungsweise besteht aus Zwischenräumen, in denen die Luft als thermischer Isolator fungiert. Gegenüber Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit von 200 W/(m x K) liegt die der Luft gerade einmal bei 0,026 W/(m x K). Damit beeinträchtigt sie den Wärmeübergangswiderstand signifikant.

Um den modernen Entwärmungsmöglichkeiten gerecht zu werden, sind auf dem Markt auch für die wärmetechnische Kontaktierung von elektronischen Bauteilen verschiedene Produkte und Materialien erhältlich, die wesentlich mehr Eigenschaften bieten, als nur Lufteinschlüsse während der Montage zu eliminieren. Das Produktangebot beinhaltet Wärmeleitpasten und -kleber, silikonhaltige und -freie Elastomere, Schaum- und GEL-Folien, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen veränderndes Wärmeleitmaterial, einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien, Kapton- und Glimmerscheiben bis hin zu Aluminiumoxydmaterialien.

Um die bestmögliche Lösung für die spezifische Applikation zu finden, müssen die unterschiedlichen Materialien mit ihren technischen Eigenschaften betrachtet werden. Wichtige Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind etwa die mechanischen Toleranzen der Kontaktpaarung (Eben- und Rauheit), der thermische Widerstand, die thermische Impedanz, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Durchschlagsfestigkeit, die Umweltverträglichkeit sowie die Shore-Härte und Zugfestigkeit. Die Praxis zeigt, dass vielmehr eine leichte Handhabung, eine gute Alterungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer gefordert sind.

Materialeigenschaften beachten

Silikonhaltige oder silikonfreie Wärmeleitpasten eignen sich ideal, um dünne Wärmeübergangsschichten zwischen zum Beispiel einer Wärmesenke und einem elektronischen Bauelement zu erzeugen. Um die bereits angesprochenen Lufteinschlüsse zu vermeiden, sind Wärmeleitpasten im Gegensatz zu anderen Wärmeleitmaterialien nicht dafür gedacht und geeignet, größere Bauteildifferenzen (Abstände) der Kontaktpaarung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke zu überbrücken.

Die maximale Schichtstärke der applizierten Wärmeleitpaste sollte, getreu dem Motto „Weniger ist mehr“, nur bis circa 50 µm betragen. Das korrekte Auftragen von Wärmeleitpasten ist in Fachkreisen umstritten, allerdings verfolgen alle Lösungsansätze das Ziel, die Schichtstärke so gering wie möglich zu halten.

In der Praxis wird sehr häufig bei der Anwendung der Fehler begangen, übermäßig viel Paste zu verwenden. Ein allzu sparsamer Auftrag ist jedoch oft noch kritischer, da hierdurch die Gefahr besteht, nicht alle Lufteinschlüsse auszugleichen. Klassische Wärmeleitpasten enthalten hauptsächlich Silikonöl oder andere synthetische Mineralölester (silikonfrei) und Zinkoxid, hochpreisige Varianten hingegen sind mit anderen Metalloxyden wie zum Beispiel Kupfer, Keramik, Silber oder Aluminium vermengt.

Eine Weiterentwicklung der genannten Wärmeleitpasten ist in Form von Phase-Change-Materialien (PCM) gegeben. Diese besitzen als Plattenmaterial eine durchgehende Schichtdicke und ermöglichen hierdurch eine saubere und schnelle Montage auf der verwendeten Wärmesenke. PCM-Materialien zeichnen sich weiterhin durch ihre Phasenänderungstemperatur aus. Bei einem Temperaturbereich von circa 45 bis 55 °C ändert sich deren Konsistenz von fest in weich und fließt somit in alle Zwischenräume der beaufschlagten Bauteile und Kühlkörper. Wird die jeweilige Phasenänderungstemperatur in der Applikation unterschritten, kehrt das Medium in seinen festen Ursprungszustand zurück, ohne die Verbindung zu den Kontaktstellen zu verlieren.

Wichtig ist hierbei allerdings, die Gesamtapplikation zu betrachten, genauer gesagt, ob es sich um eine Feder- oder Schraubmontage des Bauteils auf dem Kühlkörper handelt. Bei einer Schraubmontage muss aufgrund des Aufschmelzens des Materials und der dabei verbundenen geringeren Schichtstärke die Schraubverbindung nachgezogen werden.

Fest statt flüssig

Die eigentlichen Arbeitstiere in puncto wärmetechnischer Kontaktierung sind wärmeleitende Silikonfolien. Das Basismaterial Silikonkautschuk und die Beigabe verschiedener wärmeleitfähiger Füllstoffe, wie zum Beispiel Aluminiumoxyd oder Keramik, liefern ein hervorragendes Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Performance. Die weichen Materialien passen sich sehr gut an die Unebenheiten der Oberflächen und Fertigungstoleranzen an.

Wärmeleitfolien aus Silikonelastomer, aber auch als silikonfreie Variante, werden standardmäßig in den dünneren Ausführungen von 0,1 bis zu 0,3 mm mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,9 bis 3 W/(m x K) angeboten. Sie einigen sich besonders für den Ausgleich von kleineren Fertigungstoleranzen und sind neben der Lieferform als Plattenmaterial ebenfalls als Rollen-, Kappen- und Schlauchmaterial erhältlich. Insbesondere die dünneren Kontaktmaterialien sind optional Glasfaser verstärkt und hierdurch extrem formstabil und druckbeständig.

Eine einfache Montage der Wärmeleitfolien in der Applikation, zum Beispiel bei einer vertikalen Positionierung, ist durch das Aufbringen einer Haftbeschichtung gegeben. Der weite Temperaturbereich, die hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, die gute chemische Stabilität und die hohe Alterungsbeständigkeit runden die vielzähligen positiven Materialeigenschaften der genannten Silikonfolien ab.

Die dickeren Varianten der Silikonfolien, sogenannte Gap-Filler, haben üblicherweise Materialstärken von 0,5 bis 5 mm und bestehen ebenfalls aus sehr weichen Silikonelastomeren. Die verschiedenartigen GEL-Folien finden häufig zum Ausgleich von größeren Bauteildifferenzen ihre Anwendung. Je nach Shore-Härte und aufgebrachtem Druck sind diese bis zur Hälfte der Materialstärke komprimierbar.

GEL-Folien weisen ein sehr geringes Kompressionsmodul auf und passen sich hierdurch optimal an die Konturen der zu kontaktierenden Oberflächen an, sobald sie leicht zusammengedrückt beziehungsweise mit Druck beaufschlagt werden. Der hierfür erforderliche Druck muss groß genug sein, um eine optimale Komprimierung des Materials zu erreichen und langfristig im gesamten Toleranzbereich der Applikation eine thermische Kontaktierung zu gewährleisten. Andererseits darf er nur so hoch sein, dass er die Leiterplatte, die Lötverbindungen und die Bauteile auf keinen Fall beschädigt.

Durch das richtige Zusammenspiel von Druck, Kompression, Materialdicke und auszugleichender Toleranz liefern Gap-Filler einen thermisch optimalen Wärmeübergangswiderstand. Auch kundenspezifische Ausführungen, Geometrien, Zuschnitte und Modifikationen sind aufgrund des elastischen Materials und dessen guten mechanischen Bearbeitbarkeit relativ einfach und problemlos mittels eines Stanzautomaten oder Schneidcutter herzustellen.

Bildergalerie

  • Auf die Kundenapplikation angepasste Silikonfolien liefern ein optimales Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Performance.

    Bild: Rutronik

  • GEL-Folien liefern ausgezeichnete Anpassungsmöglichkeiten von Kontaktpaarungen mit größeren Fertigungstoleranzen und Bauteildifferenzen.

    Bild: Rutronik

  • Einfache und schnelle Herstellung von kundenspezifischen Zeichnungsteilen mittels moderner Bearbeitungszentren

    Bild: Fischer Elektronik

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