Neuen thermischen Anforderungen genügen Wärmemanagement im Wandel

Die Fülle und Funktionsvielfalt elektronischer Geräte nimmt immer weiter zu. Dabei legt der Endanwender Wert auf Form, Funktion und Energieverbrauch. Entwickler müssen dabei den Aspekt des Wärmemanagements innerhalb dieser Geräte effizient handhaben. Nur so werden ihre Produkte zuverlässig und robust genug, um den Anforderungen des Endanwenders zu genügen.

Aufgrund des weltweit zunehmenden Umweltbewusstseins, des Nachhaltigkeitsgedankens und der Forderung, weniger Energie zu verbrauchen, müssen Elektronikhersteller immer effizientere Schaltkreisdesigns entwickeln. Dies trifft nicht nur auf netzgespeiste Einrichtungen zu, sondern auch auf batteriebetriebene, tragbare Geräte, die mit immer mehr Funktionen und längeren Betriebszyklen pro Batterieladung ausgestattet werden. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet weniger Verluste, was wiederum zu weniger Abwärme führt.

An sich ist das für Entwickler eine gute Nachricht, denn dadurch verringern sich die Anforderungen an das Wärmemanagement. In der Praxis werden die Vorteile hocheffizienter Schaltkreise jedoch meist dadurch zunichte gemacht, dass auf den Leiterplatten immer mehr Bauelemente auf kleinerem Raum bestückt werden, um die zusätzliche Funktionen zu generieren. Dadurch steigt unter Umständen die Wärmeentwicklung sogar. Auch Faktoren wie eine eingeschränkte Luftzufuhr beziehungsweise -zirkulation in tragbaren Geräten, die gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Staub geschützt sein sollen, können das Problem vergrößern.

Gerade deshalb ändern sich in vielen Fällen die Anforderungen an das Wärmemanagement, die aber adressiert werden müssen, damit zuverlässige und robuste Endgeräte das Werk verlassen. Da der Energieverbrauch gesenkt werden soll, stellt ein Lüfter eine weniger wünschenswerte Option zum Abtransport der Wärme dar - sowohl in netz- als auch in batteriebetriebenen Anwendungen. Neben dem Stromverbrauch nehmen Lüfter auch noch wertvollen Platz innerhalb eines Gehäuses ein, was weitere Herausforderungen mit sich bringt.

Außerdem sind sie laut und bestehen aus beweglichen Teilen, die im Laufe der Zeit einem Verschleiß unterliegen. Fakt ist, dass der Lüfter die Lebensdauer des Systems bestimmt. Da immer mehr Elektronik unser tägliches Leben beeinflusst sowie die Bauteile und Produkte immer kleiner werden, muss sich auch das Angebot an Wärmemanagement-Materialien weiterentwickeln, um diesen Anforderungen zu entsprechen.

Vor 25 Jahren gab es noch relativ wenige tragbare Elektronikgeräte, und die Baugröße fest installierter Produkte war wesentlich umfangreicher. Die damals geringe Funktionsdichte sorgte auch für eine überschaubare Anzahl an Bauelementen. Damit ergaben sich Gehäuse mit großen und großzügig platzierten Bauteilen, die nur wenig Herausforderung in Sachen Wärmemanagement boten. Dort, wo Wärmemanagement-Probleme bestanden, erwiesen sich Lüfter, Wärmeleitpasten und Kühlkörper als ausreichend.

»Moore’s Law« bestimmt das Wärmemanagement

»Moore’s Law« besagt, dass sich die Zahl der Transistoren, die sich preiswert auf einen Chip integrieren lassen, alle zwei Jahre verdoppelt. Hinzu kommt, dass die Bauteilhersteller immer mehr Funktionen, die früher durch einzelne Bauelemente realisiert wurden, nun in einem einzigen Baustein mit kleinem Gehäuse integrieren. Dies führt zu immer kleineren tragbaren Produkten mit hoher Funktionsdichte, die unser Leben als Verbraucher verändern. Innerhalb kleiner, abgedichteter Designs, die eng mit ICs bestückt sind, ist daher ein sorgfältiges Wärmemanagement erforderlich. Viele herkömmliche Wärmemanagement-Materialien eignen sich oft nicht für diese Aufgabe. Dem Entwickler stehen für die heutigen Anforderungen zahlreiche neue Materialien und Lösungsmöglichkeiten zur Verfügung. Diese sollen im Folgenden besprochen werden:

  • Vollständig gehärtetes Silikon-Gel:

Dieses einfach anwendbare, vorgehärtete Einkomponenten-Silikon-Gel lässt sich manuell wie auch maschinell verteilen und eignet sich zum Auffüllen großer und unebener Leerräume in elektronischen Baugruppen. Die viskoelastische Paste ist ein formstabiles, voll gehärtetes Silikonmaterial, das nur geringe oder keine Druckkraft erfordert, um es während der Montage zu verformen. Bei der Platzierung von Bauteilen verringert dies die Belastung der Lötpunkte und Anschlüsse, was sonst zu vorzeitigen Funktionsausfällen des Bauteils oder zu Beschädigungen der Leiterplatte führen kann. In einigen Fällen kommt es darauf an, dass der Baustein, der einem Wärmemanagement unterzogen wird, auch elektrisch isoliert wird - und zwar vom Gehäuse oder dem Kühlkörper, mit dem er durch das Wärmeleitgel verbunden ist. Hier kann der Einschluss kleiner Glasperlen in das Gel einen Druckanschlag bewirken, der gewährleistet, dass die beiden Oberflächen physikalisch nicht in Kontakt treten.

  • Isolier-Pads:

Sie sind generell ein sehr dünnes Material (ca. 0,25 mm), das aus einem Silikon-Elastomer mit einem wärmeleitfähigen Filler besteht. Eine Glasfasermatte wird zur Materialverstärkung verwendet und bietet etwas Widerstand gegen versehentliches Durchschneiden, was die elektrischen Isoliereigenschaften des Materials zunichte machen würde. In Anwendungen mit einem höheren Montage- beziehungsweise Anpressdruck, oder wo das Risiko eines Durchschneidens höher ist, stehen noch widerstandsfähigere Trägermaterialien zur Verfügung. Die Auswahl an Materialien für Isolier-Pads ist sehr groß. Sie alle basieren auf unterschiedlichen Fillern, die verschiedene Wärmeleitfähigkeiten und elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Optionen wie schwach klebende Beschichtungen zur einfacheren Montage stehen ebenfalls zur Verfügung.

  • Klebestreifen:

Wärmeleitfähige Klebestreifen (Bild 1) stellen eine effiziente Alternative zu mechanischen Verschlüssen wie Schrauben, Klemmen und Nieten dar, wenn es um die Verbindung zwischen Kühlkörpern und keramischen oder metallischen Bauteilgehäusen geht. Neben einer schnelleren Montage und Platzeinsparungen verringern sich damit auch die Materialkosten.

  • Gap-Filler-Pads:

Diese Produkte auf Silikonbasis sind wohl das erfolgreichste Wärmeschnittstellenmaterial der neuen Generation. Mit diesen Pads lassen sich Baugruppengehäuse oder Chassis als Wärmeableiter nutzen, anstatt auf teure und schwere Kühlkörper zurückgreifen zu müssen. Durch das Einpassen eines Soft-Gap-Filling-Materials zwischen dem zu entwärmenden Bauteil und einem Gehäuse lässt sich die Wärme zielgerichtet ableiten. Aufgrund der meist großen Gehäuseoberfläche und dem dadurch zur Verfügung stehenden direkten Wärmepfad zu niedrigeren Temperaturen an der Außenseite des Gehäuses kann dieser Ansatz auch Lüfter erübrigen, wo sie früher noch erforderlich waren.

In einigen Anwendungen können Gap-Filler das Design auch vollständig abdichten und eignen sich daher für den Einsatz in rauen Umgebungen, in denen zum Beispiel Feuchtigkeit vorherrscht. Gap-Filler-Pads sind in verschiedenen Dicken erhältlich, die nun sogar über 5 mm hinausgehen und somit auch große Leerräume schließen. Ihre weiche Beschaffenheit (hinab bis 4 Shore 00; siehe Kasten) deckt große mechanische Toleranzen mit einem sehr geringen Anpressdruck ab (Bild 2).

Die genaue Zusammensetzung silikonbasierter Gap-Filler, die mit verschiedenen Materialien unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit ausgestattet sind, führt zu einer großen Auswahl von Materialien, mit denen sich die Wärmemanagement-Anforderungen des jeweiligen Designs genau bedienen lassen. Dies ist sehr von Vorteil, da Materialien mit besserer Wärmecharakteristik (maximale Werte betragen etwa 4 W/(m·K)) meist teurere Inhaltsstoffe verwenden oder höhere Anforderungen an die Materialmischung stellen.

Gap-Filler stehen meist auf Aluminiumfolie- oder Glasfaser-Träger zur Verfügung, wobei ersterer eine bessere Wärmeleitung bietet. Ein hoch belastbarer druckempfindlicher Kleber auf Acrylbasis kann die Montage unterstützen und ermöglicht eine Dauerbefestigung des Gap-Filler-Pads auf kalten Oberflächen.

Härteprüfung nach Shore

Die Shore-Härte, entwickelt 1915 von dem US-Amerikaner Albert Shore, ist ein Werkstoffkennwert für Elastomere und Kunststoffe und in den Normen DIN 53505 und DIN 7868 festgelegt. Das Kernstück des Shore-Härte-Prüfers besteht aus einem federbelasteten Stift aus gehärtetem Stahl. Dessen Eindringtiefe in das zu prüfende Material ist ein Maß für die Shore-Härte, die auf einer Skala von 0 Shore (2,5 mm Eindringtiefe) bis 100 Shore (0 mm Eindringtiefe) gemessen wird. Eine hohe Zahl bedeutet eine große Härte. Bei einem Shore-Härte-Prüfgerät ist eine Zusatzeinrichtung einsetzbar, welche die zu messende Probe mit einer Kraft von 12,5 N bei Shore A beziehungsweise 50 N bei Shore D auf den Messtisch andrückt. Ohne Andruckkraft lautet die Skala: Shore 00.

Bei der Bestimmung der Shore-Härte von Elastomeren spielt die Temperatur eine höhere Rolle als bei der Härtebestimmung metallischer Werkstoffe. Deshalb wird hier die Solltemperatur von +23 °C auf das Temperaturintervall von ±2 K beschränkt. Die Materialdicke sollte mindestens 6 mm betragen. Die Härte des Gummis wird durch die Vernetzung (schwach vernetzt = Weichgummi; stark vernetzt = Hartgummi) bestimmt. Aber auch der Gehalt an Füllstoffen ist für die Härte eines Gummiartikels ausschlaggebend.

(Quelle: Wikipedia)