Den Luftspalt überwinden
Wärmeleitmaterial – häufig unterschätzt
Bei der Entwärmung von elektronischen Geräten und Systemen stehen Lüfter und Kühlkörper im Fokus der Entwicklungsaktivitäten. Ein gutes Wärmeleitmaterial ist allerdings ebenso wichtig, denn es beeinflusst die Performance des Kühlkonzepts und ist somit eine Schlüsselkomponente für die Entwärmung.
Die Aufgabe von Wärmeleitmaterial besteht darin, die winzigen, mikroskopisch kleinen Hohlräume zwischen zwei ungleichmäßigen Oberflächen mit einer Substanz zu besetzen, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist. Die Wärmeleitmaterialien – auch Thermal-Interface-Materials (TIMs) genannt – sorgen dafür, dass die Wärme effizient von einem wärmeerzeugenden Element wie einem Leistungstransistor zu einem Wärmeableiter wie einem Kühlkörper, einem Peltiermodul oder beidem fließen kann. Die Bedeutung von Wärmeleitmaterial für das Gesamtsystem ist von hoher Bedeutung, weshalb sich ein genauer Blick auf die thermischen Zusammenhänge sowie auf die Vor- und Nachteile verschiedener Materialien lohnt.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu übertragen, und hängt nicht von der Größe einer bestimmten Komponente ab. Dieser Parameter wird im Allgemeinen in Einheiten der Leistung geteilt durch Fläche und Temperatur angegeben, zum Beispiel W/(m·°C) oder W/(m·K). Da eine Einheit auf der Kelvin-Skala einem Grad Celsius entspricht, ist bei den Berechnungen nur die relative Temperaturänderung von Bedeutung, nicht der absolute Wert.
Wenn es um die Wärmeabgabe geht, ist eine höhere Wärmeleitfähigkeit immer wünschenswert. Die Wärmeleitfähigkeit von Luft beträgt lediglich 0,0263 W/(m·K) und liegt damit etwa zwei Größenordnungen unter der von Wärmeleitmaterialien. Wenn zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper Luftspalte vorhanden sind, wird die Wärmeabgabe behindert. Durch die Füllung dieser Hohlräume mit einem Wärmeleitmaterial, das eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist, wird also eine effizientere Wärmeübertragung erreicht.
Thermischer Widerstand
Andererseits hängt die thermische Impedanz oder der Widerstand stark von der Form eines bestimmten Bauteils ab. Der thermische Widerstand wird in Einheiten der Temperatur geteilt durch die Leistung ausgedrückt, zum Beispiel in Grad Celsius pro Watt. Der thermische Widerstand bestimmt, um wie viel Grad Celsius eine Verbindung pro Watt abgegebener Leistung wärmer wird. Wenn beispielsweise ein Anschluss, der eine Leistung von 4 Watt abgibt, einen Widerstand von 10 °C/W hat, erhöht sich seine Temperatur relativ zur Umgebungstemperatur um 40 Grad Celsius. Häufig wird der Wert des thermischen Widerstands für ein bestimmtes Medium und eine bestimmte Fläche angegeben, beispielsweise für ein TO-220-Gehäuse gegen Luft ohne Kühlkörper.
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Wenn mehrere Komponenten integriert sind, wird ein neuer Wert für den thermischen Widerstand zugewiesen. Dieser Wert für den thermischen Widerstand setzt jedoch voraus, dass eine optimale Verbindung zwischen den beiden Oberflächen besteht, was nicht immer der Fall ist. Deshalb kommen Wärmeleitmaterialen zum Einsatz, um möglichst ideale Bedingungen zu schaffen. Dadurch wird zwar die Wärmeübertragung verbessert, aber auch die Komplexität erhöht, da der thermische Widerstand des Wärmeleitmaterials in die Berechnungen ebenfalls mit einbezogen werden muss.
Das Wärmeleitmaterial reduziert zwar den thermischen Widerstand zwischen zwei Objekten, weist jedoch selbst einen thermischen Widerstand auf. Je nach Typ des verwendeten TIM kann dieser thermische Widerstand angegeben sein oder muss auf der Grundlage der Dicke des TIM und der Fläche, auf der er aufgebracht wird, berechnet werden.
Gängige Typen von Wärmeleitmaterial
Insbesondere Wärmeleitpasten einschließlich Gele und Fette sind für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit, Flexibilität und die Fähigkeit, größere Lücken zu füllen, bekannt. Die Anwendung der Paste kann jedoch kompliziert sein, insbesondere auf unebenen Oberflächen. Auch lassen sich mit ihr nicht immer gleichmäßige Ergebnisse erzielen. Eine zu großzügige Anwendung kann zu einer Verringerung der Gesamtwirkung führen, während eine unzureichende Anwendung die Performance der thermischen Schnittstelle beeinträchtigen kann. Darüber hinaus können Pasten auf Metallbasis, die eine hervorragende Leitfähigkeit aufweisen, zu elektrischen Gefahren führen, wenn sie auf die Platine gelangen. Keramik- oder kohlenstoffbasierte Pasten können eine sicherere Alternative sein, aber ihr Wirkungsgrad ist möglicherweise nicht so gut wie bei metallbasierten Optionen.
Des Weiteren haben sich Wärmeleitpads, also feste Einlagen aus Silikon oder silikonfreien Elastomeren, sowie Wärmeleitfolien bewährt.
Die Wärmeleitfolien von CUI Devices sind beispielsweise natürlich haftfähig, elektrisch isolierend und haben unterschiedliche Nenngrößen der Leitfähigkeit, die von 1,0 bis 6,0 W/(m·K) reichen. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Wärmeleitfolien im Vergleich zu Pasten ist ihre einfache Anwendung. Die Wärmeleitfolien von CUI Devices sind zum Beispiel auf die Profile der Peltiermodule des Unternehmens zugeschnitten. Dadurch erspart man sich den Schritt, große Wärmeleitfolien zu kaufen und diese erst auf die richtige Größe zuschneiden zu müssen. Wärmeleitfolien bieten außerdem eine höhere Konsistenz, sauberere Verarbeitung und sind besser wiederverwendbar als Wärmeleitpasten.
Bei Applikationen, in denen der Anwender mit verschiedenen Komponenten und Größen konfrontiert ist, bleibt allerdings Wärmeleitpaste aufgrund ihrer Vielseitigkeit eine bevorzugte Option. Wärmeleitpaste ist auch bei Bastlern beliebt, da sie preiswert und in kleinen Tuben erhältlich ist, sodass keine genauen Messungen und Größenangaben erforderlich sind. Das macht sie zu einer praktischen Option für kleine Projekte und einmalige Anwendungen.
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