Steigende Verlustleistungen Trends beim thermischen Management

Trotz immer effizienterer Prozessoren, Leistungshalbleiter und Hochleistungs-LEDs muss immer mehr Wärme von den Bauelementen abgeführt werden. Dementsprechend müssen auch die Wärmemanagement-Lösungen immer besser werden. Welche Trends zeichnen sich in diesem Bereich ab?

Elektronikbausteine und Steuerungsmodule in den Märkten der Unterhaltungs-, Industrie- und Medizintechnik sowie in der Automobilelektronik unterliegen oft Größenbeschränkungen. Entweder dürfen sie nur hosentaschengroß sein oder gar Wearable-Formfaktoren aufweisen oder sie müssen den gängigen Größenstandards entsprechen, um einerseits ältere Technik zu ersetzen (zum Beispiel Glühlampen) oder andererseits strenge Größenvorgaben (beispielsweise in Automotive-ECUs) zu erfüllen.

Da Entwickler einerseits die Performance ihrer Systeme steigern müssen, andererseits aber keine Kompromisse bei der Qualität und Zuverlässigkeit eingehen wollen, sind neue Lösungen in den Bereichen Bauteilgehäuse, Fertigung, Test sowie Wärmemanagement erforderlich. Das schließt auch neue Aufbaukonzepte ein, denn immer mehr Materialien müssen sich für die automatisierte Fertigung eignen und sich in der Produktionslinie einfach handhaben lassen. Außerdem müssen sie sich präzise und wohldosiert aufbringen lassen – und das sowohl bei kleinen und mittleren als auch großen Stückzahlen. Dazu zählen dispensierbare Form-in-Place-Werkstoffe für Wärmeschnittstellen, flüssig-formbare Materialien sowie Klebstoffe mit guten thermischen Eigenschaften. Auch bei thermischen Substraten gibt es Neuerungen: Neue, verbesserte Dielektrika eignen sich für Anwendungen, die eine hohe thermische Performance verlangen.

Form-in-Place-Filler

Die extreme Miniaturisierung elektronischer Baugruppen erhöht die Leistungsdichte vor allem in Geräten wie kleinen Antriebssteuerungen und LED-Lichtquellen oder Steuerungen. Bislang hätte man vorgeschnittene Gap-Pads oder -Filler zwischen ICs oder Leistungshalbleitern und dem zugehörigen Kühlkörper oder Metallgehäuse platziert. Das manuelle Anbringen des Materials kann aber schwierig und zeitaufwendig sein. Die Hersteller stehen meist unter dem Druck, manuelle Fertigungsabläufe zu minimieren, um die Betriebskosten zu senken und die Qualität des Endprodukts zu erhöhen.

Um diese Herausforderungen der Hersteller zu erfüllen, wurde eine neue Generation von Form-in-Place-Gap-Fillern eingeführt. Dosieranlagen tragen das Material automatisch auf, was die Serienfertigung großer Stückzahlen unterstützt und Ungenauigkeiten und Abweichungen beseitigt, wie sie bei manuellen Prozessen auftreten können. Die Entwicklung schreitet schnell voran, und neue Materialien bieten dem Ingenieur eine wachsende Auswahl an Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Shore-Härte.

Eine effiziente Wärmeübertragung hängt vor allem von den Eigenschaften des Gap-Filler-Materials ab. Die Wärme muss innerhalb des Materials, aber auch über eine optimal benetzte Wärmeschnittstelle geleitet werden. Flüssige Gap-Filler von Bergquist stehen mit zahlreichen Wärmeleitfähigkeitswerten zur Verfügung und füllen große sowie unregelmäßige Lücken. Das ausgehärtete Material deckt eine Vielzahl von Oberflächentopografien ab, und da Gap-Filler im flüssigen Zustand aufgetragen werden und dann aushärten, sorgt das Material während der Fertigung für keinerlei mechanischen Stress an den Bauteilen. Form-in-Place-Filler eignen sich daher für Anwendungen, in denen empfindliche Bauteile oder Verbindungen geschützt werden müssen. Entwickler können Zusammensetzungen mit speziellen Eigenschaften vorgeben, zum Beispiel geringes Fließverhalten, wenn die Form des aufgetragenen Materials entscheidend ist, oder geringes Ausgasen, wenn das Material in optischen Anwendungen zum Einsatz kommt.

Bergquist arbeitet mit führenden Anbietern von Dosieranlagen zusammen, um eine optimale Abstimmung zwischen Wärmeleitmaterialien und der Dosiervorrichtung zu erzielen. Ziel ist es, einen kontrollierbaren und reproduzierbaren Prozess einfach einrichten zu können. Für Prozessingenieure steht eine ausführliche Anleitung zur Verfügung, die Hilfestellung bei der Wahl der richtigen Düse (Bild 1), den Anlageneinstellungen, dem Aufbringmuster und den Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit bietet.