26.09.2006 | Redakteur: (al)
Häufig erfolgt die Materialauswahl für „Gap-Filler“ erst am Ende eines Entwicklungsprojektes - und erweist sich dann lediglich als eine späte thermische Notlösung. Fehlt eine...
Häufig erfolgt die Materialauswahl für „Gap-Filler“ erst am Ende eines Entwicklungsprojektes - und erweist sich dann lediglich als eine späte thermische Notlösung. Fehlt eine Optimierung der mechanischen Summentoleranzen und deren thermische Überbrückung, so müssen zum Toleranzausgleich mit thermischer Anbindung sehr dicke und äußerst weiche, aber gleichzeitig auch thermisch sehr leitfähige Gap-Filler eingesetzt werden. Ein Redesign ist zu diesem Zeitpunkt kaum mehr möglich. Kosten, die sich bei sorgfältiger Materialauswahl und wirtschaftlicher Bewertung der Gap-Filler am Anfang des Entwicklungsprozesses vermeiden lassen.In der Elektronik müssen die hohen thermischen Verlustleistungen oft über eine gewisse Distanz zur nächsten Wärmesenke durch gute thermische Anbindung abgeführt werden. Dafür eignen sich sogenannte Gap-Filler: thermisch leitfähige und sehr weiche Elastomere wie stark vernetzte polymerisierte Silikone. Da diese Materialien kompressibel sind, lassen sich mit ihnen mechanische Toleranzen ideal ausgleichen.Häufig erfolgt die Materialauswahl aber erst am Ende eines Entwicklungsprojektes und erweist sich dann lediglich als eine späte thermische Notlösung. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde an alles andere als an die Optimierung der mechanischen Summentoleranzen und deren thermische Überbrückung gedacht. Beispielhaft für Summentoleranzen aus Leiterplattentoleranzen, Lötpunkten und den Ungenauigkeiten der Gerätegehäuse sind Werte bis zu 60,5 mm und mehr. Die Konsequenz ist, dass zum Toleranzausgleich mit thermischer Anbindung sehr dicke und äußerst weiche, aber gleichzeitig auch thermisch sehr leitfähige Gap-Filler eingesetzt werden müssen. Ein Redesign ist zu diesem Zeitpunkt kaum mehr möglich. Damit treffen alle Merkmale einer teuren Lösung gleichzeitig zusammen: Denn die Kombination der Merkmale „sehr weich und thermisch sehr gut leitend“ erfordert hochwertige wärmeleitende Keramiken mit großen Anteilen beispielsweise an Bornitrid; darüber hinaus erfordert die große Dicke einen hohen Materialeinsatz. Beides führt zu erheblichen Mehrkosten.Materialien verhalten sich druckabhängigEin weiterer Designeinfluss ergibt sich aus dem druckabhängigen Verhalten der Materialien. Für eine stabile thermische Anbindung müssen die wärmeleitenden und als Federelemente wirkenden Elastomere durch Kompression unter Vorspannung stehen. Die dazu erforderlichen Drücke dürfen wegen des Risikos der Beschädigung der Leiterplatte und der Lötverbindungen allerdings nur klein sein. Ausreichender stabiler Druck ist andererseits nötig, um die Materialien so zu komprimieren, dass die Kontaktflächen im gesamten Toleranzbereich der Applikation dauerhaft thermisch gut leitend verbunden sind. Das elastoplastische Verhalten von Elastomeren spielt für die Einstellung des Druckes eine weitere entscheidende Rolle. Druck und Kompression weisen keine lineare Abhängigkeit auf.Die Materialien federn nach einem Zyklus von Druckbeaufschlagung und Druckentlastung irreversibel nicht mehr vollständig in die Ausgangsdicke zurück. Diese Materialverformung heißt Kompression-Set; sie ist umso ausgeprägter, je größer der statische Druck ist. Darüber hinaus treten weitere zeitabhängige Vorgänge auf. Starke statische Belastungen über einen gewissen Zeitraum führen zu Kriechen und zu Relaxation. Durch die eintretende Strukturänderung verschlechtert sich die thermische Anbindung langsam. Beim Design spielt damit die richtige Druckausübung unterhalb des Versagensbereichs eine maßgebliche Rolle, um diese Verformung so gering wie möglich und die für eine ausreichende permanente thermische Anbindung entscheidenden Rückstellkräfte aufrecht zu erhalten. Die Befolgung der Herstellerangaben ist zwingend erforderlich.Richtige Druckausübung ist maßgeblichDer Stellbereich von weichen Elastomeren liegt bei Drücken von knapp über 0 bis über 50 kPa je nach Material im Bereich von 5 bis über 50% Kompression. Mit einem 3 mm dicken Gap-Filler, der sich um rd. 40% ohne nennenswerten Verlust der Rückfederung komprimieren lässt, ist ein maximaler Toleranzbereich von 60,5 mm ausgleichbar - sofern eine Kompression von etwas über 20% bzw. eine mittlere Dicke (d) des Materials von 2,34 mm eingestellt wird. Das ergibt sich aus der Forderung, dass auch bei Erreichen der unteren Toleranzgrenze eine Vorspannung durch Kompression um wenigstens rd. 0,2 mm zur Sicherstellung der thermischen Anbindung gegeben sein muss. Eine Dicke von 1,5 mm desselben Materials reicht aus, wenn die Toleranzen beim Design auf 60,2 mm beschränkt werden. Bei Halbierung der Materialdicke ist zur Erzielung eines vergleichbar niedrigen thermischen Innenwiderstandes Rthmat durch das Gap-Filler-Material zudem eine halb so große materialspezifische thermische Leitfähigkeit (k) ausreichend. Fazit: Das Zusammenwirken von Druck, Kompression, Dicke, maximaler Summentoleranz und den thermischen Anforderungen ist entscheidend (siehe Kasten). Es ist daher ratsam, die sorgfältige Materialauswahl und die wirtschaftliche Bewertung der Gap-Filler in die Analyse der Gesamtsystemkosten am Anfang des Entwicklungsprozesses einfließen zu lassen.*Dr. Wilhelm Pohl ist Vertriebsleiter von Kunze Folien GmbH in München.
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