Wärmemanagement Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse

Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Ein mangelhaftes thermisches Management entlang des Wärmepfades führt oftmals zu temperaturbedingten Ausfällen elektronischer Bauelemente oder sogar kompletter Systeme. Neben dem richtigen Entwärmungskonzept spielt ebenfalls die optimale, auf die Applikation zugeschnittene, wärmetechnische Kontaktierung der zu kühlenden Bauteile auf der Wärmesenke eine fundamentale Rolle.

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Wärmeleitmaterialien: Häufige Fehlerquellen durch die falsche Anwendung von Wärmeleitpasten
Wärmeleitmaterialien: Häufige Fehlerquellen durch die falsche Anwendung von Wärmeleitpasten
(Bild: Fischer)

Die beim Betrieb elektronischer Bauteile durch physikalische Vorgänge in der Halbleiterschicht entstehende Verlustleistung wird in Verlustwärme umgewandelt und muss zur Erhaltung der Bauteillebensdauer mittels geeigneter Entwärmungskonzepte an die Umgebung abgeführt werden. Die Effizienz der verschiedenartigen Lösungsmöglichkeiten lässt sich anhand der Wärmeleitung entlang des thermischen Pfades einer elektronischen Baugruppe ermitteln.

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Diesbezüglich liefert der Wärmewiderstand, auch thermischer Widerstand genannt, eine hilfreiche Aussage. Bei gegebener Verlustleistung gibt dieser die Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des Wärmepfades an. Je geringer jeder einzelne Wärmeübergangswiderstand ist, welchen der Wärmestrom überwinden muss, desto geringer wird gleichfalls der thermische Gesamtwiderstand, der sich aus einer Addition der einzelnen abschnittsbezogenen Einzelwiderstände zusammensetzt. Eine der größten Fehlerquellen liegt hierbei oftmals in der Gestaltung des Wärmeübergangs, der wärmetechnischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils auf die Wärmesenke.

Notwendigkeit von Wärmeleitmaterial

Die Anbindung des zu entwärmenden Bauteils an die Wärmesenke ist besonders wichtig, da bei einem schlechten Wärmeübergang, z.B. vom Bauteil zum Kühlkörper, die Wärmeleitung und der Wärmedurchgang reduziert und die Bauteiltemperatur deutlich erhöht wird. Neben möglichen Funktionseinschränkungen, ist gleichfalls auch ein unkontrollierter Temperaturanstieg oder darüber hinaus eine Bauteilzerstörung möglich.

Der optimale Wärmeübergang ist nur dann zu erreichen, wenn die durch Fertigungsprozesse unvermeidlichen Toleranzen, Unebenheiten und Rauhigkeiten (Bild 1) der zu verbindenden Oberflächen egalisiert werden. Bei der Kontaktierung von zwei flachen Oberflächen miteinander, wie z.B. Halbleiter und Kühlkörper, beträgt die effektive Kontaktfläche ohne jegliche mechanische Nachbearbeitung nur 2 bis 5%. Die restliche Fläche ist ein Luftpolster, welches aus Zwischenräumen besteht, in denen die Luft als thermischer Isolator fungiert.

Luft mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,026 W/mK ist allerdings ein 7692mal schlechterer Wärmeleiter als das Grundmaterial Aluminium und beeinflusst somit den Wärmeübergangswiderstand maßgeblich. Geeignete, auf die Applikation angepasste Wärmeleitmaterialien (TIM) liefern zur wärmetechnischen Kontaktoptimierung, ausgezeichnete Lösungsansätze (Bild 2).

Der eigentliche Wärmewiderstand des verwendeten Wärmeleitmaterials wird nach Gleichung 1 berechnet.

Rth = d / λ A

Die wesentlichen Einflussfaktoren des Wärmewiderstandes sind die Dicke/Länge des Wärmeweges [d], die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials [λ] sowie die Kontaktfläche des Wärmeleitmaterials [A]. Als Merksatz gilt: Je geringer die Schichtstärke, je größer die Wärmeleitfähigkeit und die Kontaktfläche, desto geringer wird der Wärmewiderstand.

Der so genannte thermische Kontaktwiderstand, spielt ebenfalls bei der Gesamtbetrachtung der wärmetechnischen Optimierung eine entscheidende Rolle. Dieser wiederum ist abhängig von der Kontaktfläche, der Materialausdehnungen, der Oberflächenrauigkeit, der Anpassungsfähigkeit des Wärmeleitmaterials und dem aufgewendetem Anpressdruck. Die Summe aus beiden genannten Widerständen bildet den daraus resultierenden Gesamtübergangswiderstand, der für weitergehende Berechnungen oder Simulationen zugrunde gelegt werden sollte.

Das richtige Wärmeleitmaterial verwenden

Das Problem der Wärmeübergangswiderstände und deren Optimierung ist erkannt worden, nur lautet für viele Anwender an diesem Punkt oftmals die Frage: „Welches Wärmeleitmaterial ist das beste?“ Die riesige Produktauswahl der auf dem Markt erhältlichen Wärmeleitmaterialien gestaltet es dem Entwickler in diesem Fall oftmals nicht einfacher.

Als Grundsatz ist festzuhalten: alle unterschiedlichen Materialien, unter Beachtung ihrer jeweiligen Spezifikation, müssen betrachtet werden, um eine der Applikation entsprechende, bestmögliche Auswahl zu treffen. Einfluss gebende Faktoren für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien sind u.a. der thermische Widerstand, die thermische Impedanz, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, der Temperaturbereich, die Durchschlagsfestigkeit, die Umweltverträglichkeit sowie die Shore-Härte und Zugfestigkeit. Darüber hinaus sind eine leichte Handhabung, eine gute Alterungsbeständigkeit und eine lange Lebensdauer wichtige Auswahlkriterien, die es zu berücksichtigen gilt.

Wärmeleitfolien aus Silikon sind hinsichtlich ihrer technischen Eigenschaften und auch Wirtschaftlichkeit in vielen Applikationen anzutreffen. Standardtypen in den Materialstärken von 0,1 bis 0,3 mm sind in den Lieferformen als Platten-, Band-, Kappen- und Schlauchmaterial erhältlich (Bild 3). Ausführungen nach kundenspezifischen Vorgaben, spezielle Geometrien, Zuschnitte und Modifikationen sind aufgrund des elastischen Materials und dessen guter mechanischer Bearbeitbarkeit relativ einfach sowie mit moderaten Werkzeugkosten herzustellen.

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