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Wie Sie elektronische Bauteile thermisch korrekt kontaktieren

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Vorteile von Gap-Fillern

Weitere Ausführungen der klassischen Silikonfolien, allerdings in Materialstärken von 0,5 bis 5 mm, sind mit sogenannten Gap-Fillern gegeben. Die verschiedenartigen GEL-Folien bestehen ebenfalls aus sehr weichen Silikonelastomeren und werden auch als silikonfreie Variante für den Ausgleich von größeren Bauteildifferenzen verwendet. Die Silikonelastomere weisen ein sehr geringes Kompressionsmodul auf und passen sich hierdurch sehr gut an die verschiedenen Konturen der Kontaktpaarung an (Bild 1).

Hierfür ist lediglich ein geringer Anpressdruck erforderlich und je nach Shore-Härte sind einige Materialien bis zur Hälfte ihrer Materialstärke komprimierbar. Sehr weiche Ausführungen der Gap-Filler eignen sich besonders gut um sehr empfindliche elek­tronische Bauteile zu kontaktieren. Diese werden bei der Kontaktierung in das Material eingebettet und komplett umschlossen.

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Die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Materialien wird durch die Menge und Art der Füllstoffe, beispielsweise Keramik, Bornitrid, Aluminium- oder Zinkoxid, bestimmt. In einigen Anwendungen dienen, je nach Härtegrad, bestimmte Typen der Gap-Filler unter anderem auch dazu, Vibrationen zu dämpfen.

In Kombination von richtigem applizierten Anpressdruck, Materialstärke und auszugleichender Toleranz liefern Gap-Filler einen thermisch optimalen Wärmeübergangswiderstand. Kundenspezifische Ausführungen, Geometrien, Zuschnitte und Modifikationen sind aufgrund des elastischen Materials und dessen guten mechanischen Bearbeitbarkeit relativ einfach mittels Stanzautomaten oder Schneidcutter herzustellen (Bild 2).

Neben den bereits angesprochenen Wärmeleitpasten, PCM-Materialien und Silikonfolien in unterschiedlichen Materialstärken gibt es „High Performance“-Wärmeleitmaterialien in Form von Grafitfolien.

Grafit – Wärmeleitmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Grafitfolien eignen sich aufgrund ihrer Beschaffenheit weniger gut zum Ausgleich von größeren Fertigungstoleranzen, liefern hingegen bei planebenen Oberflächen mit geringer Rauigkeit ausgezeichnete Lösungsansätze für eine optimale wärmetechnische Kontaktierung.

Grafit ist eine stabile Form des Kohlenstoffs mit einer hexagonalen Kristallstruktur. Grafitfolien bestehen aus Grafitflocken, welche meistens ohne Bindemittel zu Folien oder Platten gewalzt und verpresst werden. Die thermischen und elektrischen Eigenschaften von Grafit sind aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur sehr stark anisotrop (richtungsabhängig).

Die hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 450 W/m•K in x-y-Richtung verbunden mit einer möglichen Gewichtseinsparung von bis zu 30% gegenüber Kupfer machen Grafitfolien bei der Wärmespreizung (Headspreader) sehr interessant. Des Weiteren besitzen Grafitfolien eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit sowie einen ausgesprochen hohen Einsatztemperaturbereich. Dieser reicht bei den Standardfolien von –40 bis 500°C.

Neben den unterschiedlichen Materialstärken von 0,15 bis 0,25 mm sind die verschiedenen Folien ebenfalls mit einer Haftbeschichtung erhältlich. Hierdurch wird im Wesentlichen das Handling der Folien bei der Ausbringung auf die zu kontaktierende Oberfläche erleichtert.

Bei den in diesem Artikel diskutierten Wärmeleitmaterialien handelt es sich aufgrund der zahlreichen auf dem Markt erhältlichen Wärmeleitmaterialien zur thermischen Kontaktierung lediglich um eienen kleinen Auszug.

Wie Sie Wärmeleitmaterialien richtig auswählen

Neben den vorgestellten Materialien sind Möglichkeiten zur wärmetechnischen Kontaktierung mittels einseitig- oder doppelseitig klebender Wärmeleitfolien, wärmeleitenden Silikonschaumfolien, Kapton-, Aluminiumoxyd- und Glimmerscheiben, dispensbaren flüssigen GEL-Materialien sowie Wärmeleitklebern auf Epoxidbasis gegeben.

Grundsätzlich gilt: Die richtige Auswahl der zu verwendenden Wärmeleitmaterialien ist wichtig für die einwandfreie Funktion des elektronischen Bauteils. Daher sollten alle Materialien unter Beachtung ihrer jeweiligen Spezifika betrachtet werden, um eine der Applikation entsprechende, bestmögliche Auswahl zu treffen.

* Jürgen Harpain ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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