Designern steht heute eine breite Palette an Wärmeleitmaterialien zur Verfügung, was einen Wandel in den bewährten Designpraktiken widerspiegelt. Dieser Wandel führt dazu, dass die Belüftung elektronischer Bauteile zunehmend durch Kühlkörper ersetzt wird und präzise Verbindungen zwischen heißen Komponenten und wärmeableitenden Oberflächen wie dem Metallgehäuse oder dem Gehäusedeckel hergestellt werden. Diese Entwicklung verdeutlicht die allgemeine Nachfrage nach miniaturisierten Baugruppen. Die stetig steigende Bauteildichte reduziert das zur Kühlung verfügbare Luftvolumen und behindert dessen Zirkulation. Wo früher Lüfter zur Kühlung des Systems mit Zwangsluft eingesetzt wurden, wird heute oft ein lüfterloses Design bevorzugt, um Kosten, Stromverbrauch, Größe und Geräuschentwicklung zu reduzieren. Darüber hinaus ist der Lüfter häufig die unzuverlässigste Komponente im System.
Luft als Feind:
Stehende Luft gilt als Feind des Wärmemanagements. Mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit von nur 0,024 W/mK im Vergleich zu Aluminium (250 W/mK) kann Luft, die in mikroskopisch kleinen Poren an der Grenzfläche zwischen Kühlkörper und Bauteil eingeschlossen ist, die Wärmeübertragung erheblich beeinträchtigen. Traditionell wurden Wärmeleitpaste oder Phasenwechselmaterialien auf die Oberflächen aufgetragen, um diese Lufteinschlüsse zu beseitigen.
Um den modernen Anforderungen des Wärmemanagements gerecht zu werden, steht heute eine größere Vielfalt an Produkten und Materialien mit erweiterten Eigenschaften zur Verfügung, die es Ingenieuren ermöglichen, Luftspalte im Gehäuse effektiv zu eliminieren. Eine der größten Herausforderungen für Konstrukteure besteht darin, relativ große Luftspalte im Gehäuse zu füllen. Diese können zwischen 1 mm und 5 mm groß sein. Sind mehrere Komponenten auf einem gemeinsamen Kühlkörper montiert, kann die Größe der Luftspalte zudem variieren. Verschärft wird dieses Problem durch die Akkumulation von Fertigungstoleranzen. In solchen Fällen muss das gewählte Füllmaterial diese Abweichungen ausgleichen können, um einen festen Kontakt mit jeder Oberfläche zu gewährleisten, ohne dabei übermäßige Kräfte auf das Komponentengehäuse auszuüben.
Wärmeleitpads und -gele gehören zu den gängigsten Lösungen für die Wärmeableitung. Pads sind komprimierbare Elemente mit einem Silikonelastomer-Bindemittel, das mit wärmeleitenden Partikeln gefüllt ist und sich den Konturen des Mainboards anpasst. Gel ist ein vulkanisiertes Silikonmaterial, das mit einer Pumpe oder einem Spender aufgetragen werden kann. Es eignet sich ideal, wenn der Abstand zwischen der Bauteiloberfläche und der angrenzenden kalten Oberfläche variieren kann, beispielsweise wenn mehrere Komponenten an einen gemeinsamen Kühlkörper angeschlossen sind. Es kann auch als Alternative zu herkömmlicher Wärmeleitpaste oder Phasenwechselmaterial verwendet werden, da es nur eine geringe und gleichmäßige Kraft auf das Mainboard und seine Komponenten ausübt.
Füllpads:
Fortschritte bei polymerbasierten Klebematerialien, die in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar sind, waren für die Entwicklung von Füllpads unerlässlich, da sie viele der aktuellen Herausforderungen im Wärmemanagement lösen. Häufig verwendete Silikonelastomere weisen einen niedrigen Kompressionsmodul auf, wodurch sie sich mit minimaler Kompression an die Konturen von Klebeflächen anpassen. Dies vermeidet hohe Kräfte auf Bauteile und Lötstellen. Ein niedriger Kompressionsmodul und eine hohe Wärmeleitfähigkeit sind daher ideale Eigenschaften für ein Füllpad. Neue Materialien wie HCS10 von Chomerics zeigen einen anhaltenden Trend hin zu immer weicheren Verbindungen, die sich insbesondere bei der Entwicklung empfindlicher Elektroniksysteme mit kleinem Formfaktor als sehr vorteilhaft erweisen.
Es werden viele verschiedene Wärmeleistungsstufen angeboten, mit Wärmeleitfähigkeiten von unter 1 W/mK bis über 6 W/mK. Da die Wärmeleitfähigkeit üblicherweise durch die Menge und Art des leitfähigen Füllstoffs bestimmt wird – beispielsweise durch Partikel eines keramischen Materials oder einer metallischen Verbindung wie Aluminiumoxid, Zinkoxid oder Bornitrid –, wird eine höhere Wärmeleitfähigkeit typischerweise durch Erhöhung des Kompressionsmoduls erreicht.
Designer können zudem aus verschiedenen Kompressionsmodulwerten wählen. Zu den nachgiebigsten Formulierungen zählen das THERM-A-GAP™ HCS10-Pad, ein Material, das sich bei 50 psi um 73 % durchbiegt, und das THERM-A-GAP 580, das sich unter denselben Bedingungen nur um 30 % durchbiegt. Folglich können einige Füllstoffe zur Vibrationsdämpfung eingesetzt werden und gleichzeitig die Anpassungsfähigkeit für ein optimales Wärmemanagement verbessern.
Füllpads sind üblicherweise in verschiedenen Stärken erhältlich. Entwickler müssen jedoch beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Pads deutlich geringer ist als die von Metall. Ein Pad ist keine Lösung für mangelhafte Wärmeplanung. Daher sollten Ingenieure darauf achten, Lücken so klein wie möglich zu gestalten, damit diese mit Füllpads minimaler Dicke aufgefüllt werden können.
Wärmeleitpads sind als ganze Platten, zugeschnitten oder als individuell zugeschnittene Pads auf einer Platte bzw. als Einzelkomponenten erhältlich. Sie werden mit einer Trägerschicht, z. B. Aluminiumfolie oder Glasfaser, versehen. Die Pad-Oberflächen weisen typischerweise eine gewisse Haftkraft auf, um sie zu fixieren und den Kontaktwiderstand zu minimieren. Für einen dauerhaften Kontakt mit dem Wärmeleitmaterial kann ein Haftkleber vorab aufgetragen werden. Für silikonempfindliche Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt, der optischen Elektronik und bei Festplattenlaufwerken sind ausgasungsarme und silikonfreie Formulierungen verfügbar.
Thermische Gele
hingegen können als Schüttgut, in Kartuschen oder Spritzen geliefert werden. Unter normalen Bedingungen können sie ohne Kühlung gelagert werden und neigen nicht zum Aushärten.
Wärmeleitgel bietet mehrere wichtige Vorteile. So entfällt die Notwendigkeit, Füllpads in verschiedenen Formen und Größen vorzuhalten, und die präzise Auswahl und Platzierung der Pads wird gewährleistet. Die Gele trocknen vollständig und formstabil, was die Anwendung in der Produktion vereinfacht. Sie lassen sich mit automatisierten Dosiergeräten inline und mit hoher Wiederholgenauigkeit in Form und Volumen auftragen. In manchen Fällen deckt eine runde Applikation die Klebeflächen optimal ab, während serpentinen-, kasten- oder spiralförmige Applikationen häufig verwendet werden, um die Enden von IC-Gehäusen wie QFN, LGA oder BGA zu erreichen. Eine einzelne Gellinie eignet sich ideal zur Befestigung eines Kühlkörpers an einem herkömmlichen DIL-Gehäuse.
Es ist eine breite Palette an Wärmeleitgelen erhältlich, beispielsweise GEL30 von Parker Chomerics, das sowohl als Füllmaterial als auch als direkter Ersatz für Wärmeleitpaste geeignet ist. Im Vergleich zu anderen Produkten garantiert die vernetzte Struktur der Gele einen niedrigen Elastizitätsmodul und vermeidet Nachteile wie Entleerung und Austrocknung.
Das GEL30 bietet eine Wärmeleitfähigkeit von 3,5 W/mK. Im Vergleich zu manchen Füllpads üben Gele eine deutlich geringere mechanische Belastung auf die Bauteile aus. Dies ist oft wichtig, da moderne Produktdesigns häufig Schnellverschlüsse mit Klickverbindung verwenden, deren Klemmkräfte nie so hoch sein können wie die von herkömmlichen Schraubverbindungen. Letztere sind zeitaufwändiger und üben eine höhere Druckkraft auf das Kontaktmaterial aus.
Es sind auch Gele erhältlich, die eine elektrische Isolation zwischen Bauteil und Kühlkörper gewährleisten. Diese Gele enthalten Glasmikrokügelchen mit einem Durchmesser von 0,25 mm, die als Dielektrikum oder Druckanschlag dienen und so einen minimalen Spalt zwischen Bauteiloberfläche und Kühlkörper sicherstellen. Dadurch können Entwickler die Eigenschaften des Gels bei der Verwendung von Leistungsbauteilen nutzen, bei denen die thermische Verbindung gleichzeitig die elektrische Terminierung des Chips übernimmt.
Zusammenfassung:
Im Rahmen einer durchdachten Wärmemanagementstrategie können Wärmeleitpads und -gele die meisten Lufträume füllen, die sich beim Designprozess elektronischer Geräte nicht eliminieren lassen. Beide Füllmaterialien bestehen aus modernen Werkstoffen und bieten zahlreiche Vorteile hinsichtlich Leistung und Benutzerfreundlichkeit. Sie sind ein äußerst nützliches Werkzeug für Ingenieure, die die Wärmeleistung eines neuen Designs optimieren möchten.
Autor:
Riaz Ahmed, Chomerics Division Europe -
Parker Hannifin Ltd
