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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 2

Thermisch leitende Silikonfolien

Eine weitere, sehr gängige Methode ist die Verwendung von thermisch leitenden Silikonfolien, die in einer großen Vielfalt am Markt verfügbar sind. Die thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Isolationsfestigkeit wird bei Silikon durch das Beimischen thermischer Keramiken erreicht, wie Silica, AL2O3, AL- bzw. Bornitrit. Je nach Füllungsgrad und verwendeter Keramik ist eine mehr oder weniger hohe Wärmeleitfähigkeit erzielbar, entsprechend variiert die Härte des Materials. Silikon ist hoch isolationsfest, alterungsbeständig, sehr weich und anschmiegsam. Weil es relativ einfach mechanisch bearbeitet werden kann, ist die Herstellung selbst von komplexem Geometrien möglich. Silikon zeigt aber auch ein äußerst geringes Ausgasen auf, was in einigen Applikationen nicht erwünscht ist. Bei diesen Materialien ist zur Erreichung des geringstmöglichen Wärmewiderstandes ein bestimmter Anpressdruck erforderlich.

Das Spektrum der Silikonfolien weist üblicherweise eine maximale Wärmeleitfähigkeit von bis zu 5 W/m x K auf, in Sonderfällen auch bis zu 10 bzw. 15 W/m x K. Erhältlich sind die Folien in Dicken beginnend von 0,1 mm bis aufwärts zu 10/15 mm. Die Folien können glasfaserverstärkt ausgeführt sein, und auch einseitig bzw. beidseitig haftend zur Montagevereinfachung. Folien, die dicker als 0,5 mm sind, werden in der Regel als Gap Filler eingesetzt, denn durch deren weiche Konsistenz lassen sich Toleranzen und Unebenheiten wärmetechnisch ausgleichen. Die Kompressionsrate liegt hier bei maximal 40 Prozent, je nach Härte und Füllungsgrad.
Wärmeleitendes Silikon kann auch als Ein- oder Zweikomponentenpaste zum Einsatz kommen. Hierzu sind jedoch entsprechende Vorrichtungen erforderlich, insbesondere um die notwendigen Dicken für die elektrische Isolation zu gewährleisten.

Des Weiteren ist wärmeleitendes Silikonmaterial auch in Kappen- oder Schlauchform erhältlich.
Nicht silikonhaltige, weiche Folien bestehen häufig aus dem Basismaterial Acryl. Die erreichbare Wärmeleitfähigkeit beträgt maximal ca. 1,5 W/m x K. Acryl ist temperaturbeständig bis höchstens 120 °C, meist jedoch darunter. Auch der Einsatz von PU-Folien in diesem Bereich ist bekannt.

Carbon-Folien und Keramikscheiben

Zur Entwärmung von Hot Spots haben sich in hohem Maße Carbon-Folien bewährt, die wegen ihrer Struktur anisotrop wärmeleitend sind: In der X/Y-Richtung lassen sich Werte von bis zu 170 W/m x K erzielen, in der Z–Richtung bis zu 12 W/ m x K.
Carbon ist nicht elektrisch isolierend sowie hoch temperaturbeständig bis zum Teil über 400 °C. Erhältlich ist es in verschiedenen Dicken und Formen, auch einseitig klebend, Alle technisch möglichen Formen lassen kostengünstig anfertigen.

Auch reine Keramikscheiben, beispielsweise aus Aluminiumoxyd oder Aluminiumnitrit, finden in speziellen Applikationen ihre Anwendung. Die typische Dicke beginnt hier bei etwa 0,5 mm und reicht bis zu mehreren Millimetern.

Die Keramikscheiben weisen höchste Temperaturbeständigkeit auf, müssen aber wegen der harten und rauen Oberfläche noch mit Wärmeleitpaste oder Wärmeleitwachs versehen werden, da ansonsten nur ein sehr schlechter Wärmefluss möglich ist. Auch können sie brechen. Reine Keramik lässt sich bis zu einer Dicke von ca. 3 mm durch Laserbearbeitung herstellen werden. Stärkere Dicken sind recht aufwändig und nur mit teuren Werkzeugen realisierbar. Das setzt natürlich entsprechende Stückzahlen voraus.

Die Auswahl des jeweils geeigneten Materials lässt sich durch Berechnungen und thermische Simulationen unterstützen. Bei der Entwicklung der Leistungselektronik können diese Maßnahmen erhebliche Kosten einsparen sowie wesentlich schneller die Lösung des Wärmeproblems herbeiführen. Allerdings geben sie nur die Zielrichtung vor. Sie ersetzen nicht die endgültige, praktische Erprobung der Entwicklung, bei der dann auch eine Wärmebildkamera von Nutzen sein kann.