Thermomanagement
Wärmeleitmaterialien richtig auswählen
Zu hohe Temperaturen beeinträchtigen die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Bauteile - leistungsfähige Lösungen für das Thermomanagement sind unverzichtbar. Wie gelingt die wärmetechnisch optimale Anbindung des elektronischen Bauteils an den Kühlkörper?
Ziel einer jeden Entwärmungslösung muss es sein, dass zu entwärmende Bauteil gemäß Herstellerdatenblatt in einem spezifizierten Temperaturbereich zu betreiben, um die Performance des Bauteils langfristig zu gewährleisten, aber auch um Fehlfunktionen oder gar eine Zerstörung zu vermeiden.
Die Effizienz einer Entwärmungslösung lässt sich signifikant steigern, sofern diese auf die Applikation und die dazugehörigen Randparameter ausgewählt und angepasst ist. In der Praxis gilt es, neben einer überschlagsmäßigen Berechnung der in Frage kommenden thermischen Lösung, gleichfalls die einzelnen Wärmeübergangswiderstände entlang des thermischen Pfades genauer zu betrachten.
Der genannte thermische Pfad beschreibt den Weg der Wärme vom Entstehungspunkt im Bauteil bis hin zur ausgewählten Wärmesenke inklusive sämtlicher Wärmeübergangswiderstände. Der thermische Gesamtwiderstand setzt sich aus einer Addition der einzelnen abschnittsbezogenen Wärmeübergangswiderstände des thermischen Pfades, welche der Wärmestrom überwinden muss, zusammen.
Je größer dieser Widerstand gegen den Wärmefluss, desto schlechter wird die Wärme von A nach B übertragen und desto mehr Wärme geht auf dem Weg zur Wärmesenke verloren.
Bild 1: Verschiedene Wärmeleitmaterialien gewährleisten bei richtiger auf die Applikation angepasster Auswahl eine sichere und langlebige thermische Kontaktierung
Leider oftmals vernachlässigt, hat die richtige und wärmetechnisch optimale Kontaktierung der zu entwärmenden Bauteile auf der Entwärmungslösung einen signifikanten Einfluss auf das Gesamtergebnis. Wärmeleitmaterialien, besser bekannt als TIM-Materialien (Bild 1), liefern in Punkto Bauteilkontaktierung auf einer Wärmesenke, bei richtiger Auswahl und Anwendung, hervorragende Lösungsansätze.
Warum TIM?
Entwärmungslösungen in Form von Strangkühlkörpern, Lüfteraggregaten oder auch Flüssigkeitskühlkörpern, unterliegen aufgrund deren Herstellungsverfahren gewissen Toleranzfeldern. Die auftretenden Toleranzen richten sich zum Beispiel bei Strangkühlkörpern stets nach der Größe und Beschaffenheit der Kühlkörpergeometrie, also dem Verhältnis zwischen Kühlkörperbreite, -höhe, -bodenstärke, der Rippendicke und den Rippenabständen zueinander. Aufgrund dieser geometrischen Abhängigkeiten sind sämtliche Strangpressprofile mit Höhen- und Breitentoleranzen sowie Durchbiegungen im Querschnitt, auch mit einer Torsion in Längsrichtung, versehen. Grundsätzlich können bei verschiedenartigen Strangkühlkörpern in der Applikation, je nach Kühlkörpergeometrie und Materialanordnung, die Fertigungstoleranzen in Punkto Durchbiegung der Montageflächen erheblich sein.
Bild2: Jede Auswahl an TIMs sollte zunächst mit einer genauen Betrachtung der Kontaktpaarung und deren dazugehörigen Toleranzen starten
Als Beispiel sei hier der Kühlkörperboden zu nennen, der in den meisten kundenseitigen Anwendungsfällen als Halbleitermontagefläche fungiert. Die optimale wärmetechnische Kontaktierung bzw. Montage elektronischer Bauelemente auf dem Kühlkörper wird oftmals aufgrund der Durchbiegung der Profile in Querrichtung sowie der dazugehörigen Oberflächenrauheit deutlich erschwert (Bild 2). Weiterhin sind die verwendeten elektronischen Bauteile niemals eben und glatt, sondern ebenfalls mit Herstellungstoleranzen behaftet, was das genannte Kontaktierungsproblem zusätzlich verschärft. Bei der Kontaktierung ist es somit essentiell, die auftretenden Lufteinschlüsse durch geeignete TIM-Materialien zu eliminieren. Wärmeleitmaterialien sind zwar per se keine guten Wärmeleiter, leiten allerdings die Wärme immer noch besser als das Element Luft.
Die Suche nach dem richtigen und für die Applikation passenden Wärmeleitmaterial, gestaltet sich für den Anwender aufgrund der auf dem Markt verfügbaren Fülle an verschiedenen Materialien nicht gerade als einfach. Erschwerend ist unter anderem die Tatsache, dass auch Wärmeleitmaterialien sich über die Jahre weiterentwickelt haben. Die heutigen Materialien können oftmals mehr als nur „Wärmeleitung“ und sollten jeweils auf die Einbausituation und geforderten Randbedingungen abgestimmt sein. Im täglichen Praxisleben zeigt sich, dass Wärmeleitmaterialien leider sehr gerne nur anhand ihrer Wärmeleitfähigkeit ausgewählt und eingesetzt werden. Das Material mit der Besten im Datenblatt genannten Wärmeleitfähigkeit hat gewonnen, lautet oftmals das Fazit, da technisch gesehen das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit zu einem geringeren Temperaturanstieg am Bauteil und damit zu einer längeren Lebensdauer führt. Weitere wichtige und zu beachtende Randparameter für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind u.a. der Wärmewiderstand, die thermische Impedanz bei appliziertem Anpressdruck, die Eben- und Rauheit der Kontaktpaarung, die elektrische Isolierung oder Leitung (Isolationswiderstand), der Temperaturbereich sowie die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit).
Applikationsbezogene Wärmeleitmaterialien
Bevor seitens der Anwender mit einer Auswahl von Wärmeleitmaterialien begonnen wird, ist es empfohlen, zunächst die mechanischen Gegebenheiten und Toleranzen der Kontaktpaarung zu betrachten. Hierdurch zeigt sich sehr schnell das Spaltmaß, welches es zu überbrücken gilt und anhand dessen im nächsten Schritt eine Auswahl der infrage kommenden Materialien erfolgt.
Fällt das gemessene Spaltmaß der Kontaktpaarung sehr klein aus, so eignen sich oftmals Wärmeleitpasten zum Auffüllen der Lufteinschlüsse. Wärmeleitpasten werden als silikonhaltige oder silikonfreie Ausführung angeboten und sind prädestiniert für die Erzeugung von dünnen Schichten zwischen der Kontaktpaarung. Pasten dienen aufgrund deren Zusammensetzung und Pump Out Eigenschaften nicht zum Ausgleich von größeren Spaltmaßen, sondern sollten eher getreu dem Motto weniger ist mehr, aufgetragen werden. Wie in sehr vielen Applikationen ersichtlich, wird Wärmeleitpaste allerdings viel zu dick aufgetragen, sodass diese beim Zusammenfügen der Kontaktpaarung seitlich hinaus quirlt. Die so entstehenden Restbestände trocknen mit der Zeit aus, zerbröseln und können dadurch im Worst Case Szenario auf der Leiterkarte einen Kurzschluss verursachen, da die wärmeleitfähigen Bestandteile einer Wärmeleitpaste gleichfalls elektrisch leitfähig sind. Schichtstärken von max. 50µm sind ausreichend, um die Rauhtiefen einer Kühlkörper- oder Frässtruktur auszugleichen. Mit hausinternen Abfüllanlagen werden die Wärmeleitpasten in kleinste Spritzen-, Dosen- oder Kartuschengebinde, abgefüllt (Bild 3). Andere Gebindegrößen und kundenspezifische Verpackungsgebinde sind auf Anfrage erhältlich, ebenso wie 25kg Hobbocks zur Befüllung vollautomatischer Dispensanlagen.
Bild 3: Wärmeleitpasten mit verschiedenartigen Füllpartikeln eignen sich zum Ausgleich von Rautiefen bei plan gefrästen Oberflächen
Feste Wärmeleitmaterialien, wie silikonhaltige und -freie Wärmeleitfolien, Schaum- und GEL-Folien, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen Change Wärmeleitmaterialien oder auch einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien, werden aus dem Hause Fischer Elektronik, je nach Materialstärke, als Rollen- oder Plattenmaterial angeboten. Die genannten Materialien sind auf einem verstärktem Trägermaterial aufgebracht, um dem eigentlichen Wärmeleitmaterial während der Herstellung und dem damit verbundenen Handling mehr Stabilität zu geben, so dass Knicke oder Einrisse im Material vermieden werden. Des Weiteren wird das so aufgebrachte Wärmeleitmaterial von oben noch mit einer zusätzlichen Schutzfolie versehen, was das Material vor Schmutz oder Staub schützt. Kundenspezifische Zuschnitte sind nun über eine vollautomatische Stanzmaschine oder über einen Schneidcutter herzustellen. Auf beiden genannten Maschinen sind die verschiedenartigen Wärmeleitmaterialien sowohl von der Rolle oder als Plattenmaterial zu bearbeiten.
Bei dem verwendeten Schneidcutter (Bild 4) wird das Wärmeleitmaterial in Plattenform, meistens in den Abmessungen 300x200mm, auf einen Vakuumtisch aufgelegt, über einen starken Luftsog und den dadurch entstehenden Unterdruck, auf diesem fixiert. Die Geometrie des benötigten Konturzuschnitts wird mittels CAD-Datei in den Rechner eingeladen und im Nachgang über die rotierende Schneideinheit des Cutters aus dem Material toleranzgenau herausgeschnitten. Das Material kann je nach Schneideinstellung komplett durchgeschnitten werden oder auch nur bis zum Trägermaterial, so dass die Wunschgeometrie auf diesem verbleibt (Kiss-Cut). Das Restmaterial wird nun gemäß Kundenauftrag vom Trägermaterial abgezogen oder durch den Kunden selbst entfernt. In Summe liefern die herausragende Produktionsgeschwindigkeit des Schneidcutters und eine bis ins Detail perfektionierte Schneidtechnik ein optimales Ergebnis.
Bei dem verwendeten Schneidcutter (Bild 4) wird das Wärmeleitmaterial in Plattenform, meistens in den Abmessungen 300x200mm, auf einen Vakuumtisch aufgelegt und über einen starken Luftsog und den dadurch entstehenden Unterdruck auf diesem fixiert.
Bei der angesprochenen vollautomatischen Stanzmaschine wird das Plattenmaterial in eine Vorrichtung im offenen Werkzeug eingelegt und dann per Bandstahlschnitt aus dem Material heraus gestanzt. Je nach Größe der jeweiligen Wunschgeometrie und Werkzeugauslegung, erfolgt die Ausstanzung gleichzeitig mehrfach. Zusätzlich zur normalen Stanzeinheit besitzt die Maschine mehrere Rollenaufnahmen mit Antrieb, was produktionstechnisch einen gravierenden Vorteil mit sich bringt. Der Gesamtaufbau dieser speziellen Maschine, ermöglicht die Herstellung von Kiss-Cut Konturen, bearbeitet von der Rolle und wieder auf eine Rolle aufgewickelt. Dazu wird die Hauptrolle an der Maschine aufgesteckt, das Wärmeleitmaterial von der Rolle der Stanzeinheit zugeführt und bis auf das Trägermaterial ausgestanzt, das verbleibende Restmaterial vom Trägerband automatisch abgezogen und separat aufgewickelt, die gestanzte Wunschgeometrie auf dem Trägerband wieder auf eine Rolle aufgespult. Somit erhält der Kunde seine Wunschgeometrie aufgewickelt auf einer Rolle und kann diese in weitere vollautomatische Verarbeitungsprozesse einfließen lassen.
