In solchen Situationen oder bei Problemen mit der Belastung und Alterung von Bauteilen oder Leiterplatten unter hohen Temperaturen bietet Ihnen die Beratung von Experten die passende Lösung. Das Ingenieurteam der Abteilung Thermal & Adhesives von Steliau Technology, mit Erfahrung seit 1992, setzt modernste Technologien zur Überprüfung der Eignung von Lösungen ein und verfügt über die nötige Ausrüstung zur Entwicklung und Fertigung kundenspezifischer Lösungen.

Warum ein Wärmeleitmaterial (TIM)?
Betrachtet man den Querschnitt der Verbindung zwischen Bauteil und Kühlkörper unter dem Mikroskop (Abbildung 1), sind die Materialien nicht vollkommen glatt. Selbst beim Aneinanderpressen der Materialien bilden sich Unebenheiten, die kleine Luftbläschen zwischen den beiden Oberflächen verursachen. Der Kontakt ist also nicht so direkt, wie er mit bloßem Auge erscheint.

Da die Wärmeleitfähigkeit von Luft im Vergleich zu anderen Materialien sehr gering ist, muss sie eliminiert und die Oberfläche homogenisiert werden, sodass keine Kontaktpunkte, sondern eine glatte Kontaktfläche entsteht. Dies erreichen wir durch den Einsatz eines TIM, eines Wärmeleitmaterials, dessen physikalische Eigenschaften es ihm ermöglichen, sich den nanometrischen Unebenheiten der Oberflächen anzupassen.

Welche Informationen sind für die Auswahl eines Wärmeleitmaterials (TIM) erforderlich?
Hierbei stellt sich die Frage nach dem richtigen Material. Die Antwort ist nicht einfach. Der Katalog von Steliu Technology umfasst 2.000 Artikel. Die Auswahl hängt nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit (bei Wärmeableitung) bzw. dem Wärmewiderstand (bei Isolierung) ab (Abbildung 2), sondern auch von Faktoren wie
Anpressdruck,
Oberflächenrauheit,
Ebenheit (Höhenunterschied zwischen Bauteilen auf der Leiterplatte),
Zeit,
Temperatur,
Materialdicke (t/k)
und Füllstoffeigenschaften.

Bevor wir uns für ein Material entscheiden, müssen daher folgende Fragen beantwortet werden:
– Zwischen welchen Bauteilen befindet sich das Wärmeleitmaterial? (Bauteil und gewählter Kühlkörper.)
– Berühren sich die Bauteile oder besteht ein Spalt?
– Wie dick ist der Spalt zwischen Bauteil und Kühlkörper? (Nennwert + minimale und maximale Toleranz.)
- Wie wird die Komponente auf dem Kühlkörper befestigt? Schrauben, Klammern usw.?
- Gibt es 3D-gedruckte Vorlagen und/oder Abmessungen für das Wärmeleitmaterial (TIM)? Dies ermöglicht uns die Herstellung eines passgenauen Elements für die Komponente, abhängig von den verwendeten Materialien. Dadurch sparen wir Material und Kosten und gewährleisten die Qualität des Endprodukts.
- Wie hoch ist die gesamte Wärme-/Leistungsaufnahme (in W) der Komponente, die abgeführt werden muss?
- Wird ein bestimmter Wärmeleitfähigkeitswert (r_th) für das TIM erwartet?
- Ist eine elektrische Isolierung erforderlich?
- Projektdaten (VAE/SOP), Muster/Prototyp und L/T.
Anhand dieser Informationen können wir entscheiden, welches TIM verwendet werden soll:
Dünne Kontaktpads sind ein Standardprodukt mit hoher Wärmeleitfähigkeit (0,8–3,0 W/mK), verstärkt mit Folie und Glasfaser. Sie können Silikon enthalten oder nicht und sind in elektrisch leitfähigen oder isolierenden Ausführungen erhältlich. Sie werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Durchschlagsfestigkeit erfordern. Es ist jedoch zu beachten, dass sie einen festen Anpressdruck benötigen, um ihre Wirksamkeit zu erhalten.
Ein entscheidender Vorteil ist die Möglichkeit, die Pads in der für die jeweilige Anwendung erforderlichen Form und Größe zu gestalten. Steliau Technology verfügt über ein Designteam und den nötigen Maschinenpark, um die spezifischen Bedürfnisse jedes Teams zu erfüllen.
Phasenwechsel-Pads, deren Viskosität sich mit der Temperatur ändert, sind je nach Produktreihe in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Diese Pads ändern ihre Viskosität bei 50–60 °C oder sind als Hochleistungsfette verfügbar. Diese Variante bietet einen Leistungsbereich von 1,0–4,0 W/mK und eignet sich daher für Hochleistungsrechneranwendungen. Der Montageprozess muss jedoch sorgfältig geplant werden, einschließlich der Platzierung von Sieben, Schablonen und Pads sowie der Anforderungen an die elektrische Isolation.
Wärmeleitfähige Kittmasse ist ein weiteres Standardprodukt mit Leistungswerten zwischen 1,0 und 8,0 W/mK. Sie ist als zweikomponentiges, selbsthärtendes Material oder als einkomponentiges, vorgehärtetes Material erhältlich. Beide Varianten sind mit und ohne Silikon verfügbar.
Ihre Verwendung wird für die Serienfertigung empfohlen; für optimale Effizienz ist ein Materialdispenser erforderlich.
Der entscheidende Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass der auf das TIM (Temperaturimmobilisator) ausgeübte Druck dessen Durchbiegung im Vergleich zu herkömmlichen Pads praktisch nicht beeinflusst (Abbildung 3).

Dank der Forschung an neuen Materialien werden diese Materialien stetig weiterentwickelt und bieten eine höhere Wärmeableitung und größere Flexibilität, was wiederum eine bessere Nachbearbeitung ermöglicht.
Gap Pads (Abbildung 4) ermöglichen nicht nur die Wärmeableitung, sondern auch den Ausgleich von Unebenheiten in gemischten Bauteilanordnungen auf einer Leiterplatte. Standardmaterialien sind mit Wirkungsgraden zwischen 0,8 und 20,0 W/mK und Dicken bis zu 6,5 mm erhältlich, sowohl auf Silikonbasis als auch silikonfrei. Ihr Design wird hinsichtlich Form und Wärmeleitfähigkeit an die jeweilige Anwendung angepasst.
Ein aktueller Trend in der Materialindustrie ist die Kombination von Wärmeleistung und EMI-Absorption, wodurch diese Lösungen für verschiedenste Anwendungen sehr attraktiv werden.

Anwendungen und Support:
Dank der vielfältigen thermischen Leistungsmerkmale und Materiallösungen reichen die Einsatzmöglichkeiten dieser Komponenten vom Stromversorgungsbereich mit Netzteilen, DC/DC-Wandlern, Ladegeräten, USV-Anlagen, Induktionselementen, Pumpen und Elektrofahrzeugkomponenten bis hin zur Wärmeableitung für Leistungs-LEDs, Induktionselemente, Haushaltsgeräte und vieles mehr. Sie decken Branchen wie Industrie, Medizin, Verteidigung, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation, Beleuchtung und Transportwesen ab.

Jeder Markt und jede Anwendung hat ihre eigenen Besonderheiten. Dank 20 Jahren Erfahrung verfügt das Team von Steliau Technology über umfassendes Fachwissen und Know-how, das es ermöglicht, Produktentwicklungskosten zu senken, CFD-Analysen und Beratungsleistungen für optimale thermische Lösungen anzubieten und Unterstützung für neue Produkte mit Bedarf an thermischen Lösungen sowie für bestehende Produkte mit defekten Komponenten zu leisten.

Dank der Simulationssoftware (Abbildung 6) können sie thermische Modellierungen durchführen und mithilfe fortschrittlicher numerischer Strömungsmechanik (CFD) präzise Modelle elektronischer Geräte erstellen, die spezifische Designs für die Elektronikindustrie ermöglichen. Die Software passt sich den Herausforderungen des thermischen Designs an und unterstützt das Team um drei spezialisierte Ingenieure der Abteilung Thermal & Adhesives von Steliau Technology-EUROPE dabei, optimale Lösungen zu entwickeln.

Von Lionel Girardot, BU Manager Thermal & Adhesives bei Steliau Technology-EUROPE