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Leistungshalbleiter optimal entwärmen

Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten Wärmeleitmaterials

16. September 2010, 19:11 Uhr | von Burkhard Kunze, Geschäftsführer der Firma Kunze Folien

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Maßnahmen zur Verringerung des thermischen Übergangswiderstands

Bei verhältnismäßig großen Oberflächen, beispielsweise bei IGBTs, wird zur Beseitigung der Konvexität/Konkavität üblicherweise die Auflagefläche auf dem Kühlkörperprofil überfräst, weil die angebotenen Methoden am Markt zur Verringerung des Wärmewiderstandes größere Gaps nicht ohne erheblichen Kostenaufwand überbrücken können. Aus der Vergangenheit bekannt ist der Einsatz von Glimmer in Verbindung mit Wärmeleitpaste. Auch heute noch findet die Wärmeleitpaste teilweise Verwendung, trotz der bekannten Nachteile:

Wärmeleitpaste kann ausbluten
je nach Auftragungsart ist keine Prozesssicherheit gewährleistet
Wärmeleitpaste kann austrocknen
aufwändige und meist nicht unerheblich zeitintensive Aufbringung
häufig unter Kostenaspekten erheblich ungünstiger bei Berücksichtung aller Fertigungsfaktoren
nur bedingte Lagerfähigkeit
Allerdings kann man durch sachgemäß aufgebrachte Wärmeleitpaste - ohne Einsatz von Glimmer (also elektrisch nicht isolierend) eine recht gute wärmetechnische Anbindung vom Leistungshalbleiter zum Kühlkörper erzielen. Erreicht wird dies durch die pastenartige Konsistenz der Wärmeleitpaste.

»Phase Change«-Materialien

Einen Schritt weiter ist man mit der Entwicklung der so genannten »Phase Change«-Materialien gegangen, die unter Vermeidung der Nachteile der Wärmeleitpaste eine mindestens gleichwertige, zum Teil sogar bessere thermische Anbindung der Oberflächen gewährleisten. Es handelt sich hierbei um eine spezielle Wärmeleitwachsmischung, die bei 50/60 °C ihre Konsistenz von fest in weich verändert, dabei eine Volumenexpansion von ca. 10 Prozent erreicht und somit die natürlichen Rauheiten der Oberflächen oberhalb der Phasensprung-Temperatur benetzt. Durch diesen Vorgang werden alle negativen Lufteinschlüsse ausgetrieben, was eine hervorragende thermische Verbindung garantiert. Mit dieser Methode wird also in der Regel der geringstmögliche Wärmeübergangswiderstand erzielt.

Die Anlieferform der Phase-Change-Materialien variiert je nach Anbieter. Prinzipiell ist das Material in reiner, ursprünglicher Form erhältlich, in Folienform (relativ aufwändige Verarbeitung), beidseitig aufgetragen auf eine sehr dünne, nicht leitende Folie, zur elektrischen Isolierung und auch aufgetragen auf eine entsprechende dünne Aluminiumfolie zur nicht-isolierenden Anwendung (häufige Verwendung bei IGBTs).