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Sind Gap Pads wirklich immer sinnvoll?

| Autor / Redakteur: Marcus Dettmer * / Kristin Rinortner

Simulieren geht über Philosophieren: Der Artikel geht der Frage nach, ob Gap Pads immer das Allheilmittel bei der thermischen Auslegung von Elektronikprodukten sind. Welche Einflussfaktoren gibt es?

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Bild 4: Vergleich der unterschiedlichen Leitfähigkeiten. Wärmestrahlung und Konvektion überwiegen im idealisierten Beispielaufbau erst ab einem 
Pad-untypischen Wert für die Leitfähigkeit von ca. 0,1 W/(mK).
Bild 4: Vergleich der unterschiedlichen Leitfähigkeiten. Wärmestrahlung und Konvektion überwiegen im idealisierten Beispielaufbau erst ab einem 
Pad-untypischen Wert für die Leitfähigkeit von ca. 0,1 W/(mK).
(Bild: Alpha-Numerics)

Als Applikationsingenieur bekomme ich bei der thermischen Auslegung von Elektronikprodukten immer wieder zu hören: „Wir wollen Lufteinschlüsse vermeiden“ oder „wir möchten das richtige Gap Pad für jeden Anwendungsfall“.

Luft ist ein guter Isolator. Aber bringt ein zusätzlich eingesetztes Bauteil, das die Wärme meist auch nicht sonderlich gut leitet, wirklich immer bessere Ergebnisse? Rechnerisch ist das zwar eindeutig und logisch, aber hier wird dann lediglich der eine Wärmeweg, die Wärmeleitung, beachtet. Inwieweit tragen noch Konvektion und Wärmestrahlung zur Kühlung bei? Die Antwort auf diese Fragen soll der vorliegende Artikel geben.

Gap Pads gehören zu den TIMs (Thermal Interface Materials). TIMs gibt es zum Beispiel als Paste, Klebstoff, Folien, Phase Change Materialien oder Pads. Je nach Anwendungsfall eignet sich entweder die eine oder die andere Lösung jeweils besser. Pasten werden in der Regel zur Überbrückung von einigen µm eingesetzt. Gap-Pads benötigt man für größere Abstände im mm-Bereich. Ein TIM ist im Grunde ein zusätzliches Bauteil, das nicht an der Funktion des elektrischen Gerätes beteiligt ist.

Diese Materialien dienen lediglich dazu, den luftgefüllten Zwischenraum eines elektrischen Bauteils (eines Verlustleistungsträgers) zu einer kühlenden Fläche hin zu füllen, mit dem Ziel, dessen Wärmeableitung zu verbessern. Luft ist mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,026 W/(mK) mit das schlechteste „Material“ für dieses Aufgabe.

Zwischenräume sind bei elektronischen Komponenten im mikroskopischen Bereich immer vorhanden, da die Oberflächen nicht wirklich plan sind. Das ist technisch nicht machbar. Diese Zwischenräume liegen meist im µm-Bereich und können durch diverse TIMs gefüllt werden.

Über die Formel Rth = d/(λ x A) wird der thermische Widerstand in K/W ermittelt, der an allen Bauteilgrenzen und Übergängen maßgeblich an einer mehr oder weniger guten Kühlung des Geräts beteiligt ist. In Worten ausgedrückt bedeutet das: Je höher die Wärmeleitfähigkeit „λ“ des Materials, je dünner das Material „d“, je größer die Fläche „A“ ist, desto kleiner (besser) ist der thermische Widerstand „Rth “.

Rein rechnerisch muss also ein Lückenfüller anstelle von Luft immer die bessere Lösung sein. Aber es wird nur die reine Wärmeleitung mit dieser Formel berechnet. Im mit Luft gefüllten Spalt müssen aber Konvektion und Wärmestrahlung für den Wärmetransport zusätzlich berücksichtigt werden.

Ein Gap Pad wird meist dann benötigt, wenn der Spalt größer als 0,5 mm ist. Bei diesen TIMs handelt es sich um vorwiegend elektrisch nicht leitfähige Materialien, die auch „nur“ Wärmeleitfähigkeiten von ca. 0,5 bis maximal ca. 15 W/(mK) aufweisen.

Ein Beispielmaterial ist Silikon. Die thermische Leitfähigkeit wird bei Silikon durch Beimischung thermischer Keramiken erreicht. Je höher der Anteil, desto besser die Wärmeleitfähigkeit, desto höher ist aber auch die Härte des Materials. Silikon selbst ist isolationsfest, alterungsbeständig, weich und anpassungsfähig. Die Pads sind erhältlich in einer Dicke von 0,1 bis 15 mm.

Für dünne Pads sind wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit aktuell zwar möglich (Graphiteinlagerungen), aber dies geht zu Lasten der elektrischen Isolation.

Bei Graphitschichten spielt noch die Ausrichtung eine Rolle. Vertikal sind Werte von über 1500 W/(mK) realisierbar, durch das Material hindurch (Normalrichtung) aber beträgt die Wärmeleitfähigkeit auch „nur“ ca. 10 W/(mK). Teilweise versprechen Hersteller bereits bis zu 35 W/(mK) bei entsprechend guter Kontaktierung. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass eine Graphitfolie sehr starr ist und keine Unebenheiten der Kontakt­oberflächen ausfüllen kann. Hier muss von einem dementsprechend großen Kontaktwiderstand, welcher – je nach Anpressdruck – durchaus zwischen 0,4 bis 1 K/W betragen kann, ausgegangen werden.

Wichtige Faktoren, die (neben der reinen Wärmeleitfähigkeit) bei der Auswahl des richtigen Pads eine Rolle spielen, sind:

  • Härtegrad (sollen Bauteile umschlossen werden, bieten sich die weicheren Materialien an),
  • Temperaturbereich,
  • Haltbarkeit (Lebensdauer) / Austauschbarkeit (Wartung),
  • Alterungsprozess,
  • elektrische Leitfähigkeit,
  • möglicher Anpressdruck.

Vorwiegend werden Gap Pads für Spalte eingesetzt, die bis zu 5 mm betragen können, oder / und wenn kleine Bauteile umschlossen werden sollen. Am oberen Ende, also bei mehreren Millimeter dicken Spalten, stellt sich dann spätestens die Frage, ob ein Füllen des Spalts noch sinnvoll ist, oder ob hier die beiden anderen Wärmewege – die Wärmestrahlung und Konvektion – bereits eine bessere Wärmeabführung erreichen würden, man also lieber auf ein Pad verzichten sollte.

Wie kann man aber jetzt sinnvolle Vergleiche zwischen den einzelnen Materialien anstellen?

Viele Versuchsreihen wären nötig, um das optimale Pad herauszufinden. Am besten wäre es noch, dies direkt auf den eigenen, komplexen Anwendungsfall übertragen zu können. Mit modernen Simulationsprogrammen, wie 6SigmaET, ist es bereits in der Konzeptphase möglich. Es können also noch während der (Vor-) Entwicklung des Produkts Vergleiche angestellt werden, um verschiedene Pads einander zu gegenüberzustellen.

Bild 1: Auf einer Standardplatine (1,6 mm Dicke, 2 Lagen á 80 % Cu) wurden neun Verlustleistungsträger mit je 1 W Verlustleistung aufgebracht.
Bild 1: Auf einer Standardplatine (1,6 mm Dicke, 2 Lagen á 80 % Cu) wurden neun Verlustleistungsträger mit je 1 W Verlustleistung aufgebracht.
(Bild: Alpha-Numerics)

Im folgenden, rein konstruierten Fall, wurden auf einer Standardplatine (1,6 mm Dicke, 2 Lagen á 80 % Cu) neun Verlustleistungsträger aufgebracht (Bild 1). Die Verlustleistung beträgt je 1 W. Die Platine befindet sich in einem dünnen (1 mm) Stahlgehäuse (63 W/(mK)).

Dieser Simulationsaufbau ist idealisiert, da das Gap Pad wie ein Verguss mit perfektem Kontakt eingebracht wird. Im realen Aufbau ist mit Lufteinschlüssen zu rechnen, vor allem, wenn unterschiedlich große Bauteile umschlossen werden.

Was Simulation im Vorfeld bringen können

Bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C (ruhende Luft) werden vergleichende Simulationen durchgeführt. Die Dicke des Spalts (von der Platine zum Gehäuse) wird mit 13,5 mm sehr großzügig gewählt und alle Bauteile werden vom Gap Pad umschlossen. Als Vergleich dient das Modell ganz ohne Pad (Luft gefüllter Spalt). Die Temperaturlegende wird jeweils sinnvoll neu skaliert.

Bild 2: Welche Rolle spielen Wärmestrahlung und Konvektion am Beispielaufbau? Referenzmodell ohne 
Gap Pad (links) und rechts ohne Gap Pad und ohne Wärmestrahlung.
Bild 2: Welche Rolle spielen Wärmestrahlung und Konvektion am Beispielaufbau? Referenzmodell ohne 
Gap Pad (links) und rechts ohne Gap Pad und ohne Wärmestrahlung.
(Bild: Alpha-Numerics)

Vorüberlegungen: Welche Rolle spielen Wärmestrahlung und Konvektion am Beispielaufbau? In der Simulation ist es möglich, den Vergleich anzustellen, welche Temperaturen sich ohne ein Pad und ohne Wärmestrahlung einstellen würden. Der Maximalwert liegt im Beispiel um fast 30 K höher als bei Einbeziehen der Strahlung (Bild 2).

Bild 3: Einfluss der freien Konvektion. Das Bild zeigt ein Modell, in dem ein Pad mit der Wärmeleitfähigkeit von Luft enthalten ist. Links ohne Gap Pad (Referenzmodell) und rechts mit Gap Pad (λ = 0,026 W/(mK)).
Bild 3: Einfluss der freien Konvektion. Das Bild zeigt ein Modell, in dem ein Pad mit der Wärmeleitfähigkeit von Luft enthalten ist. Links ohne Gap Pad (Referenzmodell) und rechts mit Gap Pad (λ = 0,026 W/(mK)).
(Bild: Alpha-Numerics)

Dass man im Allgemeinen auch die freie Konvektion nicht als Wärmeweg vernachlässigen sollte, zeigt ein Vergleich des Modells ohne Pad mit dem Modell, in dem ein Pad mit der Wärmeleitfähigkeit von Luft enthalten ist, wie in Bild 3 dargestellt. Anhand dieser Vorbetrachtungen wird klar, dass nicht nur die reine Wärmeleitung an der Bauteilkühlung beteiligt ist, sondern auch Strahlung und Konvektion einen beachtlichen Einfluss haben.

Jetzt erfolgt der Vergleich des Referenzmodells mit dem Aufbau, in dem verschiedene Pads eingebracht werden. Damit wollen wir prüfen, ab welcher Wärmeleitfähigkeit Pads keinen Vorteil mehr bieten (Bild 4, Artikelanfang).

Wie erwartet, weist die Baugruppe mit dem Pad einer Wärmeleitfähigkeit von 6 W/(mK) wesentlich niedrigere Temperaturen auf, als die Referenzbaugruppe mit Luft. Tatsächlich zeigt sich, dass auch bei geringerer Wärmeleitfähigkeit des Pads, die Wärmeleitung noch immer den größten Anteil an der Bauteilkühlung hat. Wärmestrahlung und Konvektion überwiegen im idealisierten Beispielaufbau erst ab einem Pad-untypischen Wert für die Leitfähigkeit von ca. 0,1 W/(mK).

Da dies natürlich nur ein Testaufbau ist und die tatsächlichen Gegebenheiten jeweils auch ein individuelles Ergebnis liefern, sollten alle Produkte thermisch vorqualifiziert werden. Dafür bietet sich ebenfalls die thermische Simulation an. So können bereits in der Entwicklungsphase Fehler erkannt und beseitigt werden, was zu einer wesentlichen Kostenreduktion in der Produktentwicklung beiträgt.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15/2020 (Download PDF)

Fazit: Die einfache Testreihe mittels thermischer Simulation hat die These bestätigt, dass es auch bei relativ großen Spalten durchaus sinnvoll ist, ein Gap Pad einzusetzen. Die Luft, auch wenn Strahlung und Konvektion zusätzlich wirken können, stellt meist zwar die zunächst kostengünstigste Kühllösung dar. Sie ist aber auch eine sehr ineffektive Möglichkeit, zumindest im geschlossenen Gehäuse ohne weitere forcierte Kühlung.

Der Einsatz eines Gap Pads trägt erheblich zur Kühlung einzelner Bereiche auf einer Lieterplatte bei und kann so entweder die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines Produkts erhöhen oder auch den Einsatz kostengünstigerer Bauteile mit einer größeren Verlustleistung ermöglichen.

Es hat sich wieder einmal gezeigt: „Simulieren geht über Philosophieren!“

* Marcus Dettmer arbeitet als Applikationsingenieur bei Alpha-Numerics in Nastätten.

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