Leistungselektronik Elektrisch isolierende Wärmeleitfolie als TIM

Autor / Redakteur: Uwe C. Lemke * / Kristin Rinortner

Mit einer neuartigen Dielektrikumstechnik lassen sich isolierende TIM-Folien direkt auf einen Metallträger aufbringen und vom Anwender zu einem hochkompakten Leistungsmodul weiterverarbeiten.

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Thermisches Interface: Die thermische Kopplung der Wärmequelle (Leiterplatte mit Leistungsbauelementen) durch ein TIM an externe Kühlkörper stellt ein nicht zu unterschätzendes Element in der gesamten Entwärmungskette der Leistungselektronik dar.
Thermisches Interface: Die thermische Kopplung der Wärmequelle (Leiterplatte mit Leistungsbauelementen) durch ein TIM an externe Kühlkörper stellt ein nicht zu unterschätzendes Element in der gesamten Entwärmungskette der Leistungselektronik dar.
(Bild: Aismalibar)

Der allgegenwärtige Trend in der Elektronik zu immer kleineren Bauformen bei gleichzeitig steigenden Leistungsanforderungen führt zu der Notwendigkeit, die durch die Elektronik erzeugte Wärme möglichst schnell, effektiv und kostengünstig abzuleiten. Ein ausgewogen konzipiertes Wärmemanagement ermöglicht eine längere Lebensdauer der verwendeten elektronischen Komponenten und damit eine höhere Leistungsfähigkeit und Qualität der gesamten Elektronik-Anwendung.

Bei zahlreichen Elektronik-Applikationen, speziell im Bereich der Leistungselektronik, genügt es dabei immer häufiger nicht mehr, die von den Komponenten erzeugte Wärme über die Leiterplatte an die Umgebungsluft abzugeben. Stattdessen wird eine zusätzliche Entwärmung der elektronischen Bauteile benötigt, die durch einen externen, aktiven oder passiven Kühlkörper erreicht wird.

Die thermische Kopplung der Wärmequelle (Leiterplatte mit Leistungsbauelementen) durch ein Thermisches Interface Material (TIM) an diesen externen Kühlkörper stellt ein nicht zu unterschätzendes Element in der gesamten Entwärmungskette der Elektronik dar.

Häufig wird ein Teil des Gerätegehäuses als Kühlelement für die Elektronik mitgenutzt. Damit kommt dem Berührungsschutz eine zusätzliche sicherheitstechnische Bedeutung zu, um den Schutz der Benutzer gegen Überspannung zu gewährleisten. Beispiele sind netzgebundene Geräte oder zukünftige 800-V-Batterie-Umgebungen im Elektroauto.

TIM-Folien in der Leistungselektronik

TIM-Folien verhindern bzw. minimieren Lufteinschlüsse, um einen effizienten Wärmeübergang von der Wärmequelle auf den Kühlkörper zu ermöglichen. Eine sowohl technisch als auch kommerziell effiziente Lösung für die thermischen und isolationstechnischen Herausforderungen in der Leistungselektronik sind elektrisch isolierende Wärmeleitfolien wie die Folien des Typs „BONDSHEET Cured“ von Aismalibar.

Aufgebaut auf Basis eines Glasgewebes, angereichert mit mineralischen Füllstoffen, erreicht dieses thermische Interface mit einer Glasübergangstemperatur von 120°C eine Wärmeleitfähigkeit von 2,2 W/mK bei Spannungsfestigkeiten größer als 4 kV (70 µm Folie) bzw. 6 kV (100 µm Folie).

Durch die geringe Foliendicke (70 beziehungsweise 100 µm) wird mit 0,315 bzw. 0,45 K cm2/W ein niedriger Wärmewiderstand Rth erreicht, der die von der Leistungselektronik erzeugte Wärme effizient an das Kühlelement zur Spreizung und Abgabe an die Umgebungsluft ableitet.

Anwendungsbeispiele aus der Leistungselektronik-Praxis

Bild 1: Schematische Darstellung einer Kühlkette in der Leistungselektronik am Beispiel einer IMS-Leiterplatte mit LEDs, die über ein TIM an einen Kühlkörper aus Aluminium gekoppelt ist.
Bild 1: Schematische Darstellung einer Kühlkette in der Leistungselektronik am Beispiel einer IMS-Leiterplatte mit LEDs, die über ein TIM an einen Kühlkörper aus Aluminium gekoppelt ist.
(Bild: Aismalibar)

Bild 1 zeigt die schematische Darstellung einer Kühlkette in der Leistungselektronik am Beispiel einer IMS-Leiterplatte (Insulated-Metal-Substrate) mit LEDs, die über ein TIM an einen Kühlkörper aus Aluminium gekoppelt ist. Hauptanwendungsgebiete der Wärmeleitfolie sind Applikationen der Leistungselek­tronik, in denen der Wärmeübergang zwischen zwei planen Metall-Oberflächen hinsichtlich Wärmeleitung und elektrischer Isolation optimiert werden soll.

Erfolgreich eingesetzt wird die Folie derzeit zum Beispiel in Anwendungen wie Solar-Invertern und Windkraftanlagen, Getriebesteuerungen für Nutzfahrzeuge und LED-Beleuchtungen in der Industrie.

Zukünftige Projekte finden sich vermehrt in der Elektromobilität; beim Elektroauto insbesondere im Antriebsstrang und beim Batteriemanagement, inklusive der On-Board-Ladeelektronik. Auch die industrie­elle Leistungselektronik, zum Beispiel in Schweißgeräten und Roboterantrieben, verwendet Wärmeleitfolien zur effizienten Entwärmung der Steuerelektronik.

Bild 2: 
Anwendungsbeispiel einer flüssiggekühlten hochkompakten MOSFET-Baugruppe für die Leistungselektronik.
Bild 2: 
Anwendungsbeispiel einer flüssiggekühlten hochkompakten MOSFET-Baugruppe für die Leistungselektronik.
(Bild: IQ evolution)

Ein weiteres Anwendungsbeispiel zeigt Bild 2. Auch hier besteht die Aufgabe der Folie darin, Wärme effizient bei maximaler Isolationsfestigkeit abzuleiten, um PowerMOSFETs optimal an die flüssiggekühlten Micro-Cooler von IQ-evolution anzubinden. Ausführliche Tests haben ergeben, dass für diesen Anwendungsfall die hier vorgestellte Wärmeleitfolie im Vergleich zu alternativen TIM-Techniken die beste technisch-kommerzielle Kombination aus Wärmeableitung und Durchschlagsfestigkeit erreicht.

TIM: Ausgangsmaterialien, Fertigung und Lieferung

Basis der TIM-Fertigung in Spanien ist ein Glasgewebe des Typs 106 bzw. 1078/1080, das in einem eigenen Verfahren mit keramischen Füllstoffen angereichert wird. Neben den reinen Materialeigenschaften der verwendeten Füllstoffe, wie Al2O3, AlN und BN, sind die Partikelgröße und -Form sowie die Verteilung mitentscheidend dafür, dass das Ausgangs-Glasgewebe homogene wärmeleitende Eigenschaften erhält. Nach dem Einbringen der Füllstoffe und weiteren Prozessschritten entsteht ein Prepreg im B-Status, das in der Multilayer-Herstellung der Leiterplattenindustrie verwendet wird.

Um die Wärmeleitfolie auszuhärten wird dieses B-Status-Prepreg mithilfe spezieller, hauseigener Verfahren weiterverarbeitet, um die im Datenblatt spezifizierten Eigenschaften hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und Isolationsfestigkeit zu erzielen.

Bild 3: Die Wärmeleitfolie BONDSHEET CURED in Ausgangsgrößen von 1245 mm x 945 mm bzw. 1245 mm x 1040 mm zur Weiterverarbeitung durch Schneiden, Sägen, Stanzen.
Bild 3: Die Wärmeleitfolie BONDSHEET CURED in Ausgangsgrößen von 1245 mm x 945 mm bzw. 1245 mm x 1040 mm zur Weiterverarbeitung durch Schneiden, Sägen, Stanzen.
(Bild: Aismalibar)

Am Ende des Fertigungsprozesses steht die Wärmeleitfolie in den Formaten 1245 mm x 945 mm und 1245 mm x 1040 mm (Bild 3) zur Verfügung. Ebenso werden die gängigen Formate der Leiterplattenindustrie, wie 460 mm x 610 mm, angeboten.

TIM-Folien in beliebigen Formaten

Auf Kundenwunsch konfektioniert der Hersteller die TIM-Folie auf beliebige rechteckige oder quadratische Formate und liefert sie in Stapeln zu jeweils mehreren 100 einzelnen Folien zur manuellen oder automatisierten Weiterverarbeitung beim Kunden.

Bild 4: 
Beispiel der elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie, konturiert nach Kundenvorgabe, um eine optimale mechanische Adaption 
der Leiterplatte an den Kühlkörper zu erreichen.
Bild 4: 
Beispiel der elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie, konturiert nach Kundenvorgabe, um eine optimale mechanische Adaption 
der Leiterplatte an den Kühlkörper zu erreichen.
(Bild: Aismalibar)

Für Muster und Prototypen oder auch Kleinserien konturiert der Hersteller die Folie entsprechend der Kundenvorgabe mit z.B. abgerundeten Ecken und Löchern (Bild 4), sodass die Folie in der Endprodukt-Montage des Kunden direkt zwischen Kühlkörper und Platine eingelegt und zu einer Einheit montiert werden kann. Da beim Einsatz der Wärmeleitfolie auf Öle, Pasten oder Silikone verzichtet wird, ist eine einfache saubere Montage und Demontage des Elektronik-Moduls (zum Beispiel im Servicefall) möglich.

Im Fall der hochvolumigen Serienproduktion ist das Stanzen der Folie mit einem kundenspezifischen Stanzwerkzeug das kosteneffizienteste Herstellungsverfahren. Muster der beiden Folientypen 70 oder 100 µm werden ab Lager Barcelona geliefert.

Ausblick auf künftige Entwicklungen

Aismalibar entwickelt Dielektrika, die die hohen technischen Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit erreichen bzw. steigern. Zusätzlich wird die Verarbeitbarkeit optimiert, speziell für hochvolumige Serienproduktionen wie im Automotive-Bereich.

Bild 5: 
Kupfersubstrat, beschichtet mit zwei thermisch leitfähigen Polymerharzen, geliefert als B-Stufe + polymerisierte Schicht. Kupferdicke: 1; 1,5; 2 und 3 mm. Die Toleranz der Dicke des Dielektrikums liegt bei ± 10 µm. Dicke der Isolationsschicht: 50; 75; 100 µm. Dicke B-Stufenschicht: 25 µm ±10 µm.
Bild 5: 
Kupfersubstrat, beschichtet mit zwei thermisch leitfähigen Polymerharzen, geliefert als B-Stufe + polymerisierte Schicht. Kupferdicke: 1; 1,5; 2 und 3 mm. Die Toleranz der Dicke des Dielektrikums liegt bei ± 10 µm. Dicke der Isolationsschicht: 50; 75; 100 µm. Dicke B-Stufenschicht: 25 µm ±10 µm.
(Bild: Aismalibar)

Ein Beispiel ist das Verfahren „Dual Thermal Coating“ (DTC), mit dem zwei Schichten glaslos flüssig direkt auf ein Trägermetall (Kupfer oder Aluminium) aufgebracht werden (Bild 5). Mit dieser neuartigen Technik lässt sich die Wärmeleit- bzw. Isolationsschicht nahezu beliebig „dünn“ direkt auf einen Metallträger aufbringen. Die untere Schicht des Dielektrikums wird während des Fertigungsprozesses bereits ausgehärtet und erhält damit seine im Datenblatt spezifizierten elektrischen und thermischen Eigenschaften.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 3/2021 (Download PDF)

Auf dieses ausgehärtete Dielektrikum wird eine zusätzliche Schicht im B-Stage-Status aufgebracht, die vorbereitet ist zur weiteren Verarbeitung beim Anwender. In dessen Montage wird dieser Aufbau (Metallträger plus zweilagiges Dielektrikum) unter Druck und Wärme zu einer homogenen Gesamteinheit verpresst. Das Resultat ist ein hochkompaktes Leistungsmodul mit optimierten elektrischen und thermischen Eigenschaften, verbunden mit einer Lagerfähigkeit der Gesamteinheit entsprechend den Anforderungen der Elektronikindustrie.

* Uwe C. Lemke ist Business Development Manager DACH bei Aismalibar in Barcelona / Spanien.

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