RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH

Bild: Panasonic; iStock, Milehightraveler

Grafitfolien Kristalle für die Entwärmung

29.08.2017

Das passende Wärmemanagement ist in der Hochleistungselek­tronik von großer Wichtigkeit. Es sorgt für eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit der Bauelemente. Entscheidend dafür ist unter anderem die Wahl des richtigen Thermoschnittstellenmaterials. Für eine gute Wärmeübertragung sorgen Grafitfolien dank ihrer besonderen Kristallstruktur.

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Die Fortschritte in der Informations- und Kommunikationstechnologie sowie bei der Energiespeicherung und -übertragung gehen mit einer rasant zunehmenden Leistungsdichte in der Elektronik einher. Das macht eine effiziente Wärmeabfuhr notwendig. Die Verbindung zwischen dem Leistungsmodul und dem zugehörigen Kühlkörper ist gleichermaßen Kernstück und Flaschenhals des Wärmemanagements. Hier werden oft Materialien eingesetzt, die nicht für die anspruchsvollen Umgebungsbedingungen in der Leistungselektronik geeignet sind.

Ein Großteil der Wärme von Leistungsmodulen wird über einen verbundenen Kühlkörper oder ein Kühlblech abgeführt. Lücken zwischen Kühlkörper und Modul aufgrund von Oberflächenrauheit und Krümmung der Modulgrundplatte können jedoch zu Problemen bei der Wärmeübertragung führen. Um diese Lücken zu füllen und eine effek­tive Wärmeübertragung zu erreichen, werden Thermoschnittstellenmaterialien (TIMs) wie Wärmeleitpaste und Phasenübergangsmaterialien (PCM) verwendet.

Wärmeleitpaste besteht häufig aus Silikon oder Kohlenwasserstoffölen. Sie ist kostengünstig und deshalb häufig in Desktop-PCs zwischen Prozessorchip und Kühlkörper zu finden. Die Wärmeleitpaste selbst besitzt nur eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, die aber durch gut leitende Partikel (oftmals Metalle und/oder Keramiken) erhöht wird. Sie enthält keine Bestandteile, die zu einem Aushärten führen. Das sorgt dafür, dass der Wärmewiderstand am Übergang niedrig bleibt, gleichzeitig erhöht sich damit die Fehleranfälligkeit im Laufe der Betriebszeit. Das lässt wiederum die Wartungs- und Reparaturkosten steigen.

Die zwei Hauptursachen für eine Zunahme des Wärmewiderstands in der Materialschicht sind das Auspumpen und das Austrocknen der Wärmeleitpaste. Durch Schaltvorgänge im Bauelement kommt es zu thermomechanischen Bewegungen zwischen Chip und Heatspreader. Das Material wird sukzessive aus dem Übergangsspalt gepresst. Dieses Phänomen bezeichnet man als Auspumpen. Die Paste trocknet aus, indem sich bei höheren Temperaturen der Füllstoff und die Polymermatrix trennen. Letztere fließt dabei aus dem Übergang. Auch eine hohe Luftfeuchtigkeit wirkt sich auf den Wärmewiderstand der Materialschicht aus.

Phasenübergangsmaterialien bestehen aus einer Mischung aus Schwebeteilchen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise feine Partikel aus Metalloxid, und einem Basis­material. Sie werden als reine Masse oder als Verbundmaterial mit einer bestimmten Dicke auf einem Substrat bereitgestellt. Die Materialien wechseln nicht, wie die Bezeichnung Phasenübergangsmaterialien impliziert, ihren Zustand. Ihr Viskosität verringert sich stattdessen, was zu einem Fließvorgang führt.

Der Vorteil der PCMs ist die hohe thermische Leistungsfähigkeit bei moderatem Kontaktdruck. Das Material fließt im thermischen Übergangsbereich und füllt Luftspalten. Für einen Kontakt der gegenüberliegenden Flächen reicht bereits eine minimale Materialdicke aus. Ein Auspumpen durch thermomechanische Bewegungen der Übergangsoberfläche wird vermieden. Das Material lässt sich zudem einfach bei der In-
stallation handhaben.

Dennoch weisen auch PCMs eine Reihe von Nachteilen auf. Paraffinbasierte Phasenübergangsmaterialien werden, ähnlich wie bei der Wärmeleitpaste, bei Wärmezyklen aus dem Übergangsbereich des Bauelements herausgepresst. Die gewünschte Phasenübergangseigenschaft begrenzt die Auswahl an Polymer- und Füllstoffkombinationen, was die thermische Leistungsfähigkeit dieser Materialien beschränkt. Weitere Nachteile sind die geringe Wärmeleitfähigkeit, die große Volumenänderung beim Phasenübergang, die Entflammbarkeit und die Bildung schädlicher Dämpfe bei einer etwaigen Verbrennung.

TIMs: Kristalle statt viskosem Material

Eine Alternative zu viskosen TIMs ist eine flexible Grafitfolie, die nicht viskos ist. Anstelle eines TIM, das in mikro-
skopisch kleine Unebenheiten auf der Oberfläche hineinfließt, werden bei diesen Folien die Grafitplättchen mit einer Druckkraft in die Oberfläche hineingepresst. Das Grafit fließt nicht, weder schrumpft oder zerfällt es, sobald die Metallflächen unter Druck miteinander verbunden sind. Dies liegt an der Kristallstruktur des Grafits, die zudem für die Wärmeübertragung der Grafitfolie mit einer hohen ebenenübergreifenden Wärmeleitfähigkeit sorgt.

Eine solche Folie ist die von Rutronik vertriebene 200 µm
dicke pyrolytische Grafitfolie Soft-PGS von Panasonic Automotive & Industrial Systems. Sie verbessert die Wärmekopplung zwischen Wärme erzeugenden Bauelementen und Wärme abführenden Bauteilen. Die Grafitfolie wird aus einem Polymerfilm unter Zuhilfenahme eines thermischen Zersetzungsprozesses hergestellt. Der sechskantige Kristallaufbau des Grafits ist in einer einheitlichen horizontalen 2D-Struktur angeordnet. Dank der guten Kompressibilität um 40 Prozent ist Soft-PGS auch für eine Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen einem Kühlkörper und einem IGBT-Bauelement der Hochleistungselektronik geeignet. Die Folie lässt sich problemlos verarbeiten und anbringen. Soft-PGS verursacht dadurch geringere Arbeits- und Installationskosten als das bei Wärmeleitpasten oder Phasenübergangsmaterialien der Fall ist. Die Folie ist darüber hinaus thermisch stabil bis 400 °C und außerdem bei starken Wärmezyklen von -55 bis 150 °C zuverlässig. Die Wärmeleitfähigkeit
beträgt 400 W/mK in X-Y-Richtung und 28 W/mK in Z-Richtung.

Bildergalerie

  • Wärmeleitpaste ist günstig in der Anschaffung, allerdings steigt nach der Installation der Wartungsaufwand. Im Vergleich dazu sind Grafitfolien wie Soft-PGS wartungsfrei. Bei einer langfristigen Nutzung fallen somit nur die anfänglichen Installationskosten an.

    Bild: Panasonic

  • Die gute Kompressibilität macht Soft-PGS zu einer guten Lösung für die Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen Kühlkörper und IGBT-Bauelement.

    Bild: Panasonic

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