Wärmemanagement

Unter Vakuum zusammenfügen

Eine hohe Bauteilleistung und -packungsdichte auf Platinen erfordert eine bessere Wärmeableitung über angrenzende Kühlkörper. Um den Spalt zwischen den beiden Kontaktflächen zu füllen, kommen Wärmeleit-kleber zum Einsatz. Jedoch bringt deren meist hoch-viskose Konsistenz oft größere Herausforderungen beim Fügen und Verpressen mit sich.

Wärmeleitkleber sind hochgefüllte Ein- oder Zweikomponenten-Klebstoffe und lassen sich je nach Schichtdicke mit dem Stempelverfahren oder Dosierverfahren auf die Kühlkörper aufbringen. Dabei gilt: Je höher der Füllstoffgehalt, umso höher ist der Wärmeleitwert.

Derzeit kommen Wärmeleitkleber mit bis zu siebzig Prozent Füllstoffen zum Einsatz. Um den Anforderungen der Entwicklungsingenieure hinsichtlich der Wärmeableitung gerecht zu werden, wurde der Füllstoffgehalt der Klebstoffe ständig erhöht.

Die Grenze bildet dabei nicht die Anreicherung mit Füllstoffen, sondern die maschinelle Verarbeitung.

Wärmeleitkleber mit hohem Füllstoffgehalt (Dichte höher 3 g/cm³) können mit dem Stempelverfahren aufgrund der pastösen Konsistenz nicht mehr auf die Kühlkörperfläche aufgebracht werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die hochviskosen Stoffe mit der Vergusstechnik aufzutragen.

 

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Bild 1: Auftragen einer Klebstoffraupe mit relativ großen Linienabständen

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Bild 1: Auftragen einer Klebstoffraupe mit relativ großen Linienabständen

Die etwas längere Verarbeitungszeit lässt sich durch das Auftragen von Klebstoffraupen mit relativ großen Linienabständen gut kompensieren (Bild 1).

Als Herausforderung stellt sich jedoch bei beiden Verfahren das Verpressen der Platine mit dem Kühlkörper heraus. Die flächige Verteilung des Wärmeleitklebers ohne Lufteinschlüsse zwischen den beiden Bauteilen war bisher ein ungelöstes Problem, zurückzuführen besonders auf die geringe Fließeigenschaft der Wärmeleitkleber. Mit dem Anpressen durch so genannte Andruckstifte wurde zwar eine ausreichende Verteilung erwirkt, jedoch ist diese Methode nur bedingt geeignet.

Die Folge war oft, dass insbesondere bei dünnen und großflächigen Keramiksubstraten (Platinen) die punktuelle und damit überhöhte Krafteinwirkung zum Bruch der Keramikplatine führte.

Kleine Vakuumkammer

Dow Corning, ein Produzenten von Wärmeleitkleber, suchte eine technisch weiter ausgereifte und auch wirtschaftlichere Lösung. Das von der Firma Scheugenpflug entwickelte Verfahren des Vakuumfügens schließt alle Anforderungen mit ein und präsentiert ein prozesssicheres Resultat: Nach dem Auftragen der Kleberaupe auf den Kühlkörper und dem Fügen der Platine wird das noch unmontierte Bauteil in eine Miniatur-Vakuumkammer geführt.

 

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Bild 2: Da die Vakuumbox klein ist, dauert das Evakuieren und anschließende Belüften nur Sekundenbruchteile.

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Bild 2: Da die Vakuumbox klein ist, dauert das Evakuieren und anschließende Belüften nur Sekundenbruchteile.

Durch die geringe Größe der Vakuumbox (15 cm x 12 cm x 7 cm) dauert das Evakuieren und anschließende Belüften nur Sekundenbruchteile (Bild 2).

Beim Evakuieren wird jegliche Luft komplett entzogen, auch die zwischen den Bahnen der Kleberaupen beziehungsweise zwischen Kühlkörper und Platine. Beim Belüften führt der schnell ansteigende Luftdruck dazu, dass die Platine gleichmäßig angepresst wird. Das Spaltmaß definiert sich durch das Beimischen von größeren Festkörpern im Klebstoff. Sind diese homogen im Wärmeleitklebstoff verteilt, ist das Spaltmaß über die gesamte Fläche der Platine gleich. Jedoch eignen sich nicht alle Dosiersysteme für diese Anwendung.

Ideal sind Kolbendosierer, die für große Korngrößen ausgelegt sind und selbst hochgefüllte und abrasive Klebstoffe im Langzeiteinsatz problemlos verarbeiten können. Welche Vorteile bringt dieses System? Zum einen ist kein teures Anpresswerkzeug nötig, womit auch die Bruchgefahr durch punktuelle Krafteinwirkung beim Verpressen entfällt. Zum anderen lässt sich das Platinendesign frei gestalten, da keine Flächen für das Anpressen mehr benötigt werden.

Das Risiko einer Beschädigung der Platine beziehungsweise der montierten Bauteile oder Leiterbahnen entfällt zugleich. Des Weiteren machen die Vergusstechnik und das anschließende Vakuumfügen Taktzeiten wie beim Stempelverfahren möglich, denn die geringe Größe der Vakuumbox erlaubt ein Absaugen und Wiedereinbringen der Luft innerhalb kürzester Zeit.