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Wie Sie elektronische Bauteile thermisch korrekt kontaktieren

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Kristin Rinortner

Bei der wärmetechnischen Kontaktierung von Bauteilen auf einer Wärmesenke steht der Anwender vor dem Problem, ein geeignetes, auf die Applikation zugeschnittenes Wärmeleitmaterial auszuwählen. Denn TIM liefern wesentlich mehr positive Eigenschaften als nur Lufteinschlüsse auszugleichen.

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Thermisch kontaktieren: Silikonhaltige oder -freie Wärmeleitfolien bieten dem Anwender neben sehr guten technischen Eigenschaften ein optimales Verhältnis zwischen Leistung und Wirtschaftlichkeit.
Thermisch kontaktieren: Silikonhaltige oder -freie Wärmeleitfolien bieten dem Anwender neben sehr guten technischen Eigenschaften ein optimales Verhältnis zwischen Leistung und Wirtschaftlichkeit.
(Bild: Fischer Elektronik GmbH & Co. KG www.fischerelektronik.de)

Elektronische Halbleiter in einem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich zu betreiben, ist essentiell für deren Funktionssicherheit und Lebensdauer. Entwärmungskonzepte, ob passiv, aktiv oder per Flüssigkeit, sind in verschiedenartigen Ausführungen auf dem Markt erhältlich.

Die wärmetechnische Kontaktierung der elektronischen Komponenten spielt für ein effizient funktionierendes Gesamtsystem eine entscheidende Rolle, wird allerdings seitens der Anwender oftmals vernachlässigt, beziehungsweise nicht in der Tiefe betrachtet.

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Mit unzähligen technischen Parametern ausgestattete „Thermal Interface Materials“, kurz TIM genannt, liefern hinsichtlich der wärmetechnischen Kontaktierung hervorragende Lösungsansätze. Der thermische Gesamtwiderstand eines Entwärmungssystems setzt sich aus einer Addition der einzelnen Wärmeübergangswiderstände entlang des thermischen Pfades zusammen. Diese muss der Wärmestrom überwinden. Je niedriger der Wert des Wärmeübergangswiderstandes, desto besser ist die Wärmeleitung und in Summe der thermische Gesamtwiderstand.

Engpässe, beziehungsweise schlechte Wärmeübergangswiderstände entlang des thermischen Pfades, gilt es frühzeitig zu erkennen und zu optimieren. Der Kontaktierung des elektronischen Bauelementes auf der Wärmesenke gebührt hierbei besondere Aufmerksamkeit.

Materialien applikationsgerecht auswählen

Zu Beginn einer jeden Materialauswahl ist es empfehlenswert, die mechanischen Besonderheiten und die Toleranzen der Kontaktpaarung zu begutachten. Je größer die zu kontaktierenden Oberflächen sind, desto mehr müssen deren Abweichungen in Form von Konvexität, Konkavität und Torsion berücksichtigt werden.

Lufteinschlüsse bzw. Luftpolster zwischen der Kontaktpaarung müssen aufgrund der sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit der Luft unbedingt vermieden und effizient ausgefüllt werden. Hierfür sind auf dem Markt verschiedene Produkte und Materialien erhältlich, die wesentlich mehr Eigenschaften bieten, als nur Lufteinschlüsse während der Montage zu eliminieren.

Zur wärmetechnischen Kontaktierung sind auf dem Markt unterschiedliche Ansätze zu finden. Das Produktangebot beinhaltet Wärmeleitpasten und -kleber, silikonhaltige und -freie Elastomere, Schaum- und GEL-Folien, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen veränderndes Wärmeleitmaterial, einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien, Kapton- und Glimmerscheiben bis zu Aluminiumoxydmaterialien.

Neben einer einfachen Handhabung fordert der Kunde eine gute Alterungsbeständigkeit und hohe Lebensdauer. Wählt der Ingenieur das zur Applikation passende Wärmeleitmaterial aus, muss er zusätzlich die mechanischen Toleranzen der Kontaktpaarung, den thermischen Widerstand, die thermische Impedanz, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Isolierung oder Leitfähigkeit, den Temperaturbereich, die Durchschlagsfestigkeit, die Umweltverträglichkeit sowie Shore-Härte und Zugfestigkeit berücksichtigen.

Wärmeleitmaterialien mit oder ohne Silikon

Neben den flüssigen Wärmeleitmaterialien (Wärmeleitpasten) sind in vielen Applikationen sogenannte PCM (Phase Change Materials, Phasenwechsel-Werkstoffe) zu finden. Diese Art der Produktgruppe wird häufig eingesetzt, wenn man dünne Wärmeübergangssichten beispielsweise zwischen einer Wärmesenke und einem elektronischen Bauelement erzeugen will.

In der Praxis gilt es allerdings zu berücksichtigen, dass diese Art der Kontaktmaterialien nicht dazu gedacht sind, größere Unebenheiten auszugleichen. Hier sollte die maximale Schichtstärke der aufgebrachten Wärmeleitpaste nur bis ca. 50 µm betragen.

Im Gegensatz zu den genannten pastösen Kontaktmaterialien stellen Wärmeleitfolien aus Silikonkautschuk oder auch als silikonfreie Variante die am häufigsten verwendeten Folien dar (Aufmacherbild). Diese Wärmeleitfolien mit dünneren Materialstärken von 0,1 bis 0,3 mm eignen sich besonders für den Ausgleich von kleineren Fertigungstoleranzen beziehungsweise Spaltmaßen. Des Weiteren liefern sie einen hervorragenden Kompromiss zwischen Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit. Wärmeleitfolien sind optional mit Glasfaserverstärkung und Haftbeschichtung für eine leichtere Montage erhältlich.

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