Kühl-Wärme-Management Wärme-Übergangswiderstände optimieren

Ausfälle elektronischer Bauteile aufgrund zu hoher thermischer Belastungen sind oftmals auf ein unzureichendes Wärme­management zurückzuführen. Die wärmetechnische Anbindung der zu entwärmenden Komponenten hat dabei einen maßgeblichen Einfluss auf das Gesamtergebnis.

Will man elektronische Bauelemente vor dem »Hitzetod« bewahren und somit die Lebensdauer erhöhen, sind auf dem Markt vielzählige Entwärmungskonzepte bekannt und erhältlich. Ziel einer jeden Lösung ist es, das Bauteil in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich langfristig zu betreiben, um Fehlfunktionen oder gar eine Zerstörung zu vermeiden. Neben der eigentlichen Wärmesenke, welche mittels einfacher Formeln überschlagsmäßig berechnet werden kann, ist es anzuraten, auch die einzelnen Wärmeübergangswiderstände entlang des thermischen Pfades detailliert zu betrachten.

Der thermische Pfad beschreibt den Weg der Wärme vom Entstehungspunkt bis zur Wärmesenke im ausgewählten Entwärmungskon­-zept. Die im Halbleiter ablaufenden Prozesse bzw. die einzelnen Wärmeübergangswiderstände sind in den Bauteildatenblättern der Hersteller oftmals spezifiziert. Der Wärmewiderstand in der Einheit Kelvin pro Watt [K/W] fungiert als Bewertungskriterium für die Wärmeleitung entlang des thermischen Pfades. Der thermische Gesamtwiderstand setzt sich aus einer Addition der einzelnen abschnittsbezogenen Einzelwiderstände des thermischen Pfades zusammen, welche der Wärmestrom überwinden muss.

Festzuhalten bleibt, je kleiner die einzelnen Wärmeübergangswiderstände zwischen den Kontaktstellen, desto kleiner ist der thermische Gesamtwiderstand und desto weniger Temperatur geht auf dem Weg zur Wärmesenke verloren. Die wärmetechnische und vor allem richtige Kontaktierung des elektronischen Bauteils, z.B. auf einem Kühlkörper, spielt in dem Gesamtkonstrukt eine entscheidende Rolle, welche allerdings in der Praxis oftmals stiefmütterlich behandelt wird.

Gut zu Wissen

Zur thermischen Kontaktierung von elektronischen Bauteilen auf einer Wärmesenke gab es immer schon Wärmeleitmaterialien (Bild 1), die auch Thermische Interface Materialien (TIM) genannt werden und den Effekt der Wärmeleitung von A nach B verbessern. Allerdings hat sich seitens der Anwender das Bewusstsein für eine richtige thermische Kontaktierung – positiv – geändert. Dieses gestiegene Bewusstsein spiegelt sich anhand der auf dem Markt verfügbaren Fülle an verschiedenen Wärmeleitmaterialien wieder, sodass der Anwender heute eher vor dem Problem steht, ein geeignetes Material für seine spezielle Applikation auszusuchen.

Erschwerend ist unter anderem die Tatsache, dass sich auch Wärmeleitmaterialien 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. Einfluss gebende Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind u.a. der Wärme­widerstand, die thermische Impedanz bei appliziertem Anpressdruck, die Eben- und Rauheit der Kontaktpaarung (Bild 2), die elektrische Isolierung oder Leitung (Isolationswiderstand), der Temperaturbereich, die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit), um nur einige Parameter zu nennen.

Im täglichen Leben zeigt sich, dass Wärmeleitmaterialien sehr gerne nur anhand der 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.

Ist das Bessere des Guten Feind?

Datenblätter von Wärmeleitmaterialien sollten aber stets mit Vorsicht betrachtet werden. Die spezifizierten Angaben beziehen sich zwar meistens auf eine ASTM-Norm (American Society for Testing and Materials), in der aber keinerlei Kriterien wie Oberflächenstrukturen der Kontaktpaarung, Andruckkräfte mittels einer möglichen Schraub- oder Federapplikation des Bauteils, Temperaturbelastungszyklen, Fließverhalten des Materials auch bei Schwingungen oder Vibrationen, Masseverlusten aufgrund von Ausgasungen sowie Benetzungseigenschaften berücksichtigt werden. Vielfache Untersuchungen und Laborversuche zeigen, dass TIMs mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, je nach Applikation und Anzahl von Lastzyklen, um ein Mehrfaches schlechter abgeschnitten haben als Materialien mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit.

Dem Anwender bleibt es somit nicht erspart, sämtliche Parameter seiner Applikation zu sammeln, die in Frage kommenden Materialien in seinem Versuchsaufbau zu integrieren sowie auf Tauglichkeit ausführlich zu untersuchen und zu testen. Ein weiteres sehr wichtiges und immer mehr nachgefragtes Thema seitens der Kunden ist die Frage nach der Lebensdauer von TIMs. Hierzu ist es allerdings sehr schwer – bis fast unmöglich – genaue Aussagen zu treffen, da keinerlei Erfahrungswerte der Wärmeleitmaterialien im praktischen Einsatz über einen langen Zeitraum vorliegen.

Bei Leistungshalbleitern ist eine Lebensdauererwartung von 30 Jahren oftmals eine normale Forderung. Wie TIM-Materialien unter speziellen Einbausituationen reagieren und altern, kann bisher noch nicht zuverlässig bestimmt werden, da die verschiedenartigen Anwendungen der Kunden ins Unermessliche gehen.

Dass sich die Materialien, um nur einige Punkte zu nennen, unter Last­zyklen der Temperatur, dem aufgebrachten Druck, Ausgasungen und dem damit verbundenen Masseverlust sowie Vibrationen verändern, steht außer Frage; deshalb lässt sich eine Angabe zur Lebensdauer kaum benennen.

Die Qual der Wahl

Das auf dem Markt erhältliche Produktangebot an Wärmeleitmaterialien ist vielzählig und in deren Eigenschaften sehr variierend. Das Angebotsspektrum beinhaltet Wärmeleitpasten und -kleber, silikonhaltige und -freie Elastomere, Schaum- und Gel-Folien, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen veränderndes Wärmeleitmaterial, einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien, Kapton- und Glimmerscheiben sowie Aluminiumoxydmaterialien. Wie bereits erwähnt, bestimmen die Applikation des Kunden und die dazugehörigen Randparameter das entsprechende Wärmeleitmaterial. Im ersten Schritt sollte stets die Kontaktpaarung und deren Spaltmaß (Konvexität und Konkavität) unter die Lupe genommen werden (Bild 2).

Klassiker Wärmeleitpaste

Für die Kontaktierung zweier ebener Oberflächen, z.B. erzeugt durch eine mechanische CNC-Bearbeitung, eignen sich sehr gut Wärmeleitpasten. Diese sind als silikonhaltige oder silikonfreie Varianten verfügbar und 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. Schichtstärken von max. 50 µm sind ausreichend, um die Rauhtiefen einer Frässtruktur auszugleichen.

PCM als interessante Alternative

In fester Form liefern sogenannte Phase Change Materialien (PCM) eine ausgezeichnete Alternative zu der zuvor genannten Wärmeleitpaste (Bild 3). PCM-Materialien werden meistens in Plattenform oder als Rollenware angeboten und gewährleisten aufgrund des reproduzierbaren Schichtdicken eine saubere und schnelle Montage auf den zu kontaktierenden Oberflächen. Unterschiedliche Ausführungen sind mit und ohne Haftbeschichtung versehen, wodurch das Handling beim Aufbringen in der Applikation deutlich vereinfacht wird.

Des Weiteren zeichnen sich PCM-Materialien durch ihre Phasenänderungstemperatur aus, bei der sich die Konsistenz von fest in weich bis fließend ändert. In einem Temperaturbereich von ca. 45 bis 55 °C schmilzt das Material auf und gelangt somit in sämtliche Zwischenräume der Kontaktpaarung. Bei erneuter Unterschreitung des Temperaturbereiches, wie es z.B. bei Lastzyklen vorkommt, kehrt das auf dem Träger aufgeschichtete Material in seinen festen Ursprungszustand zurück, ohne allerdings die Verbindung zu den Kontaktstellen zu verlieren.

Silikonfolien als weitere Option

Weit verbreitet und in vielfachen Applikationen eingesetzt, finden wärmeleitende Silikonfolien ihre Anwendung. Silikonhaltige- oder freie Wärmeleitfolien besitzen als Materialbeigabe zum Beispiel Aluminiumoxyd oder Keramik und liefern neben einer guten technischen Performance ein optimales Verhältnis zwischen Wirtschaftlichkeit und Verarbeitbarkeit. Dünnere Schichtdicken von 0,1 bis 0,3 mm passen sich sehr gut den auftretenden Unebenheiten und Fertigungstoleranzen an und eignen sich hervorragend für den Ausgleich von kleineren Spaltmaßen.

Unterschiedliche Materialien werden als Lieferform in Form von Plattenmaterial, Rollen-, Kappen- und Schlauchmaterial angeboten, können darüber hinaus optional mit einer Glasfaserverstärkung oder einer Haftbeschichtung zwecks Montageerleichterung ausgestattet werden. Des Weiteren zeichnen sich die genannten Silikonfolien durch einen hohen Temperaturbereich, eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit, eine gute chemische Stabilität sowie eine hohe Alterungsbeständigkeit aus.

Wie wäre es mit Gap-Filler?

Kompressionsfähige Materialien, die sogenannten Gap-Filler, bestehen ebenfalls aus silikonhaltigen -oder freien Elastomeren und sind in Materialstärken von 0,5 bis 5 mm auf dem Markt verfügbar. Die verschiedenartigen Gel-Folien finden häufig zum Ausgleich von größeren Bauteildifferenzen bzw. Spaltmaßen ihre Anwendung und sind – je nach Härtegrad – bis zur Hälfte der Materialstärke komprimierbar. Sobald die Materialien mit Druck beaufschlagt werden, passen diese sich optimal an die zu kontaktierende Oberfläche an (Bild 4).

Der aufgebrachte Anpressdruck muss groß genug sein, um eine optimale Komprimierung des Materials zu erreichen und langfristig im gesamten Toleranzbereich der Applikation eine thermische Kontaktierung zu gewährleisten. Dieser Druck darf allerdings nur so groß sein, dass eine Beschädigung der Leiterplatte, der Lötverbindungen oder sogar der Bauteile ausgeschlossen ist. Das richtige Verhältnis zwischen auszugleichender Toleranz, aufgebrachtem Druck (Kompression) und Materialdicke liefert optimal angepasste Wärmeübergangswiderstände.

Die genannten Folienmaterialien können aufgrund ihrer Eigenschaften und Weichheit relativ einfach nach kundenspezifischen Vorgaben als Zuschnitt oder Konstruktionsteil mittels Stanzautomaten oder Schneidcutter produziert werden.

Der Autor

Jürgen Harpain ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.
J.Harpain@fischerelektronik.de