Wärmemanagement Aufbau- und verbindungstechnisch optimierter Wärmepfad

Autor / Redakteur: Dr. Wilhelm Pohl und Frank Aulenbacher * / Kristin Rinortner

Vorapplizierte Phasenwechselmaterialien weisen zahlreiche Vorteile gegenüber Wärmeleitpasten, aushärtenden Klebern oder gestanzten Folien auf. Der Beitrag gibt einen Überlick zum Stand der Technik.

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Vorapplizieren von Phase-Change-Materialien: Wabenstrukturen stellen die geometrisch beste Lösung beim Schablonendruck dar
Vorapplizieren von Phase-Change-Materialien: Wabenstrukturen stellen die geometrisch beste Lösung beim Schablonendruck dar
(Bild: Hala)

Die steigende Leistungsdichte von Leistungsmodulen oder anderen Substraten, wie z.B. LED Platinen oder Peltierelementen erfordert die ständige Verbesserung dieses Abschnittes im thermischen Pfad. Der Anteil des Interface-Materials am Temperaturgradienten beträgt je nach Aufbau ca. 20 bis 65% [1]. Steigende Leistungsdichte und Lebensdauererwartungen sind Zielkonflikte [2]. Thermische Widerstände steigen, wenn das wärmeleitende Interfacematerial zu dick oder zu dünn oder an den falschen Stellen aufgebracht ist.

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Wegen der Komplexität des Themas und um diesen Abschnitt des thermischen Pfades zu optimieren, bietet es sich an, mit druckbaren Phasenwechselmaterialien vorapplizierte thermische Kontaktflächen zu liefern. Diese Materialien unterscheiden sich grundlegend von anderen Wärmeleitmedien, z.B. wärmeleitenden dauerhaft fluiden Wärmeleitpasten, aushärtenden Klebern oder gestanzten Folien. Phasenwechselnde Materialien sind bei Raumtemperatur trocken und werden erst bei Erwärmung weich, um die Kontaktflächen vollständig zu benetzen. Der Druckprozess findet in Zusammenarbeit mit Modul- und Substratherstellern oder auf Anlagen im eigenen Haus statt [3], [4].

Die Berührtrockenheit der Kontaktfläche unterhalb der Phasenwechseltemperatur und bei normalen klimatischen Bedingungen ermöglicht ein einfaches Handling und erleichtert den Transport. Verschmieren und damit die Zerstörung des Druckbildes wie sie bei Wärmeleitpasten auftreten, werden vermieden.

In der ersten Ausführungsform als stanzbarer 0,2 mm dicker Phase Change Film ließ sich eine Vielzahl von Elektronikkomponenten thermisch anbinden. Homogene Schichtstärken erzeugen nie das beste thermische Ergebnis. Mit Folien lassen sich daher keine oberflächenoptimierten und sehr dünnen thermischen Zwischenschichten realisieren. Toleranzen werden nicht ausreichend ausgeglichen. Wärmeleitmaterial sollte nur die Hohlräume füllen und darf durch Filmbildung nicht die Ausbildung von Metall-Metall-Kontakten bei Aufbauten von Kühlkörper-Leistungsmodulen mit Bodenplatten bzw. Substrat-Metall Kontakten bei bodenlosen Leistungs- oder Keramiksubstraten wie thermoelektrischen Modulen verhindern [6].

Massenproduktion multimodaler Füllsysteme

In diesen Zonen ist der Wärmeübergang am besten. Wesentliche Materialvoraussetzungen dafür sind kleine Füllerkorngrößen und enge konstante Korngrößenverteilungen sowie ein sehr gutes Benetzungsverhalten zur Bildung möglichst großer thermischer Kontaktflächen. Multimodale Füllsysteme tragen dazu entscheidend bei.

Auf dem Weg zur Massenproduktion durch herkömmliche Druckverfahren wurden Material und Aufbringungs- sowie Trocknungsprozess in Einklang gebracht. Der Lotpastendruck ist als technische Grundlage anwendbar (J-STD-001 und 003) [3]. Bereits existierende dispensierbare Typen wurden zu druckbaren Varianten weiterentwickelt [5]. Hauptforderungen dabei waren die Minimierung des thermischen Kontaktwiderstands zwischen Elektronikkomponenten z.B. Leistungsmodulen bzw. Substraten und Kühlkörpern, eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit sowie die Druckprozesseignung für Schablonen- und Siebdruck.

Die optimale Schichtdicke ist bei jedem Modul oder Substrat unterschiedlich und muss vom Anwender im Test definiert werden. Es gilt: So dünn wie nur möglich aber so dick wie nötig [7]. Nur durch abgestimmte Druckbilder können Oberflächenbereiche mit Hot Spots punktgenau gekühlt werden. Um einen guten Druck und genaue Druckbilder ohne Verwischungen zu erzeugen, liegt die Viskosität der Materialien zwischen 150.000 und 200.000 mPa s, was im Bereich druckbarer Lotpasten ist.

Zwei Lösungsmittel kommen in der Formulierung zum Einsatz, um unterschiedlich lange Trocknungszeiten zu ermöglichen. Im Fall von TPC-Z-PC-P7 eröffnet dies die Möglichkeit der Trocknung bei Raumtemperatur, hingegen ist die Schabloneneinsatzzeit bis zur Reinigung und damit die Schichtzeit kürzer als bei TPC-Z-PC-P8. Hier ist der Schabloneneinsatz länger, aber die Trocknung erfordert einen Wärmeprozess.

Tabelle 1: Trocknungszeiten dispensier- und druckbarer Phase Change Materialien
Tabelle 1: Trocknungszeiten dispensier- und druckbarer Phase Change Materialien
(Bild: Hala)

Die vollständige Trocknung der aufgedruckten Materialien ist für das optimale Wirken wesentlich. Anderenfalls bleiben Gaseinschlüsse, die sich bei Erwärmung negativ auf den thermischen Kontakt auswirken. Nach Trocknung ist das Phase Change Material vorappliziert und berührtrocken. Das vereinfacht die Handhabung und Montage ohne die Gefahr der Verschmierung wie sie bei Wärmeleitpasten besteht. Weil ein Montageschritt entfällt, vereinfacht sich die Produktionslogistik [8]. Der Anwender spart Kosten und Zeit.

Materialspezifikation:

  • Dichte (vor / nach Trocknung): ~1,8 / 2,0 g/cm²
  • Wärmeleitfähigkeit: 3,4 W/mK
  • Phase Change Temperatur: ~45 °C
  • Viskosität (vor Trocknung): ~150.000 bis 200.000 mPa s (1/min)

Tabelle 1 zeigt die unterschiedlichen Trocknungszeiten für dispensier- und druckbare Typen bei unterschiedlichen Dicken.

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