Die Oberflächen wärmeerzeugender Bauteile sind oft nicht glatt genug, um die für eine gute Wärmeübertragung notwendige niedrige Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten. Bei manchen Bauteilen sind die Oberflächen uneben, was die Wärmeabfuhr zusätzlich erschwert. Darüber hinaus können sich die zu kühlenden Komponenten im Inneren des Systems befinden, was die Abfuhr potenziell schädlicher Wärme weiter verkompliziert.
Wärmeleitpasten und -fette können die Wärmeleitfähigkeit verbessern, jedoch ist es oft schwierig, die notwendige Abdeckung für eine gute Wärmeübertragung zu erreichen und gleichzeitig eine Überdosierung zu vermeiden, die Leiterbahnen verunreinigen und Kurzschlüsse verursachen könnte. Zudem können Wärmeleitpasten und -fette die Wärme nicht seitlich von der Wärmequelle wegleiten.
Stattdessen können Entwickler verschiedene Wärmeleitmaterialien (TIMs) verwenden, darunter Spaltfüller und Wärmeverteiler, um die für eine effektive Wärmeübertragung notwendige niedrige und gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit zu erzielen und gleichzeitig jegliche Bedenken hinsichtlich einer Verunreinigung auszuräumen. Um spezifischen Systemanforderungen gerecht zu werden, können Wärmeleitmaterialien (TIMs) so strukturiert werden, dass sie die Wärme vertikal ableiten oder seitlich verteilen. Wärmeleitmaterialien (TIMs) sind in verschiedenen Dicken erhältlich, um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Sie sind bei hohen Betriebstemperaturen mechanisch stabil und bieten somit eine hohe Zuverlässigkeit. Zudem ermöglichen sie eine hohe elektrische Isolation und lassen sich einfach auftragen.
Dieser Artikel gibt einen Überblick über das Wärmemanagement und bietet allgemeine Richtlinien für die Auswahl von Wärmeleitmaterialien. Anschließend werden verschiedene TIM-Optionen von Würth Elektronik vorgestellt und deren Anwendungs- und Konstruktionsaspekte erläutert.
Was sind Wärmeleitmaterialien (TIMs)?
Wärmeleitmaterialien werden zwischen einer Wärmequelle und einer Kühleinheit platziert, um die Wärmekopplung und den Wärmefluss zu verbessern. Zwei Faktoren erhöhen die Effektivität der Wärmekopplung. Erstens passt sich das TIM mikroskopischen Oberflächenunebenheiten an und verhindert so isolierende Lufteinschlüsse, die die Wärmeleitfähigkeit der Grenzfläche reduzieren (Abbildung 1). Zweitens verfügen TIMs über die notwendige Wärmeleitfähigkeit, um Wärme effizient von der Wärmequelle zur Kühleinheit zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit K wird in Watt pro Meter pro Kelvin (W/mK) angegeben. Sie wird gemäß ASTM D5470, „Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials“, gemessen.
Abbildung 1: Ein TIM (blau) wird verwendet, um mikroskopische Unebenheiten auf den Oberflächen von Kühlkomponenten und -einheiten auszugleichen und so die Wärmekopplung zu verbessern. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Neben der Wärmeleitfähigkeit sind bei der Auswahl eines Wärmeleitmaterials (TIM) verschiedene Aspekte zu berücksichtigen:
• Der Betriebstemperaturbereich ist wichtig, da verschiedene TIMs für unterschiedliche Temperaturbereiche spezifiziert sind.
• Der Abstand zwischen den Kontaktflächen und die Notwendigkeit, das TIM zu komprimieren, um eine optimale Wärmeübertragung zu erzielen.
• Die Kompressionsfestigkeit des TIM.
• Einige TIMs sind mit einer Oberflächenklebstoffbeschichtung erhältlich, die eine mechanische Befestigung ermöglicht.
• Die elektrischen Isolationseigenschaften des TIM, da einige Materialien zur elektrischen Isolierung eingesetzt werden können.
• Einige TIMs sind als Standardteile ohne Mindestbestellmenge und ohne Werkzeugkosten erhältlich, während andere in kundenspezifischen Formen angeboten werden, die für spezifische Anwendungsanforderungen optimiert werden können.
Optionen für Wärmeleitpasten:
Die Silikon-Wärmeleitpaste WE-TGF ist ein universell einsetzbares Material für Niederdruckanwendungen, die von elektrischer Isolierung profitieren. Dabei wird die Wärmeleitpaste auf 10 % bis 30 % ihrer Dicke komprimiert. Eine Überschreitung des empfohlenen Kompressionsgrades kann zum Austreten des Silikonöls führen, wodurch die Lebensdauer des Materials verkürzt und die Leiterplatte (PCB) potenziell verunreinigt werden kann. Diese Wärmeleitpasten sind für die Anwendung zwischen zwei mechanisch verbundenen Oberflächen konzipiert, da sie außer ihrer natürlichen Klebrigkeit keinen zusätzlichen Klebstoff aufweisen. Sie sind in Dicken von 0,5 bis 18 mm mit Wärmeleitfähigkeiten zwischen 1 und 3 W/mK erhältlich. Dicken von 0,5 bis 3 mm ermöglichen höhere Wärmeleitfähigkeiten (Abbildung 2).
Abbildung 2: Würth bietet Wärmeleitpasten für eine Vielzahl von Anwendungen. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Beispielsweise handelt es sich bei der Teilenummer 40001020 um ein 400 x 200 mm großes Pad mit einer Dicke von 2 mm, einem K-Wert von 1 W/mK und einer Durchschlagsfestigkeit (EBR) von 8 kV/mm. Aufgrund ihrer weichen, elektrisch isolierenden Eigenschaften eignen sich WE-TGF-Spaltfüller für den Einsatz zwischen einem oder mehreren elektronischen Bauteilen und einer Kühleinheit (Abbildung 3).
Abbildung 3: Ein Spaltfüllpad aus Silikon-Elastomer dient zum Ausfüllen eines Spalts zwischen einem oder mehreren elektronischen Bauteilen und einer Kühleinheit, wie z. B. einem Kühlkörper, einer Kühlplatte oder einem Metallgehäuse. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Für Anwendungen im Wärmemanagement, die elektrische Isolation und ein dünneres Profil erfordern, können Entwickler das wärmeleitende Silikon-Isolierpad WE-TINS mit einem K-Wert von 1,6 bis 3,5 W/mK und einer Dicke von 0,23 mm verwenden. Die Artikelnummer 404035025 weist einen K-Wert von 3,5 W/mK und eine elektrische Feldstärke (EBR) von 6 kV/mm auf. Wie alle Produkte der WE-TINS-Serie kombiniert auch 404035025 wärmeleitenden Silikonkautschuk mit einem Glasfasergewebe. Das Gewebe erhöht die mechanische Festigkeit und ist beständig gegen Durchstiche und Scherkräfte. Dank der mechanischen Eigenschaften der Struktur lassen sich diese Wärmeleitmaterialien (TIMs) nach Bedarf komprimieren und weisen eine hohe Zugfestigkeit auf.
Thermische Phasenwechselmaterialien und Wärmeleitbänder sind sogar noch dünner, mit Profilen bis hinunter zu 0,02 mm. Beispielsweise gehen die Phasenwechselbänder der WE-PCM-Serie von TIM bei einer bestimmten Temperatur vom festen in den flüssigen Zustand über und gewährleisten so eine vollständige Benetzung der Oberfläche ohne Verschütten oder Überlaufen. Sie sind für den Einsatz mit Hochleistungs-ICs, Leistungselektronik und Kühlbaugruppen konzipiert. Beispielsweise misst die Artikelnummer 402150101020 100 mm², ist beidseitig klebend, hat einen Wärmeleitfähigkeitswert (K-Wert) von 5 W/mK, eine elektrische Feldstärke (EBR) von 3 kV/mm und eine Phasenübergangstemperatur von 55 °C.
Das Wärmeleitklebeband WE-TTT ist ein doppelseitiges Klebeband, das eine mechanische Verbindung beider Kontaktflächen ermöglicht. Es hat einen Wärmeleitfähigkeitswert (K-Wert) von 1 W/mK und eine elektrische Feldstärke (EBR) von 4 kV/mm und ist für Niederdruckanwendungen ausgelegt. Es ist in Breiten von 8 mm (Artikelnummer 403012008) und 50 mm (Artikelnummer 403012050) auf 25-Meter-Rollen erhältlich.
Wärmeleitlösungen mit Graphit:
Wärmeleitmaterialien auf Basis von synthetischem Graphit bieten höchste Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 4). Der Kühlkörper aus der WE-TGS-Familie mit der Artikelnummer 4051210297017 ist ein 297 x 210 mm großer Kühlkörper aus synthetischem Graphit mit einem K-Wert von 1800 W/mK, der keine elektrische Isolierung bietet. Die Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, geringem Gewicht und geringer Dicke (0,03 mm) macht diese Graphitplatten für ein breites Anwendungsspektrum geeignet, von Hochleistungs-Halbleitermodulen bis hin zu tragbaren Geräten.
Abbildung 4: Graphit-Kühlkörper bieten hohe Wärmeleitfähigkeit in mehreren Dimensionen und sind nur 0,03 mm dünn. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Die WE-TGFG-Serie kombiniert Graphitfolien mit Schaumstoffpads und bietet so einzigartige Wärmemanagementlösungen mit einem Wärmeleitfähigkeitswert (K-Wert) von 400 W/mK und einem elektrischen Widerstand (EBR) von 1 kV/mm. Lange Dichtungen können als Kühlkörper gefertigt werden, die Wärme seitlich von der Wärmequelle zu einer an anderer Stelle im System befindlichen Kühleinheit ableiten (Abbildung 5). Beispielsweise ist das Bauteil 407150045015 45 mm lang, 15 mm breit und 1,5 mm dick und eignet sich für Anwendungen, die von Spaltfüllung und seitlicher Wärmeableitung profitieren.
Abbildung 5: Eine auf einem heißen Bauteil platzierte Wärmeleitpaste (TIM) kann als Wärmeverteiler fungieren und die Wärme seitlich vom Bauteil wegführen. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Um mit Silikonpads wie WE-TGF-Spaltfüllern eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, muss das Pad dünner sein. Entwickler können WE-TGFG-Wärmeleitpasten verwenden, um Spalten bis zu 25 mm mit einer deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit als mit Silikonpads zu füllen. WE-TGFG-Bauteile lassen sich zudem mit kundenspezifischen Geometrien für nicht-planare Bereiche fertigen (Abbildung 6).
Abbildung 6: Eine Graphitschaumdichtung (Mitte) kann in verschiedenen Geometrien hergestellt und als Schnittstelle zwischen einer Wärmequelle (unten) und einem nicht-planaren Wärmeableitungselement (oben) verwendet werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Kombination von Wärmeleitmaterialien zur Leistungssteigerung:
Durch die Kombination verschiedener Wärmeleitmaterialien lässt sich die Kühlleistung steigern. Beispielsweise kann ein WE-TGS-Graphit-Kühlkörper mit einem WE-TGF-Silizium-Füllmaterial kombiniert werden. Dadurch kann ein Kühlkörper mit größerer Auflagefläche als die Wärmequelle verwendet werden, was die Gesamtkühlleistung erhöht (Abbildung 7).
Abbildung 7: Die Kombination eines WE-TGS-Graphit-Kühlkörpers (TIM 1) mit einem WE-TGF-Silizium-Füllmaterial (TIM 2) ermöglicht die Verwendung eines Kühlkörpers, der größer als die Grundfläche des heißen Bauteils ist, und sorgt so für eine verbesserte Kühlung. (Bildquelle: Würth Elektronik)
Allgemeine Anwendungsrichtlinien
Unabhängig vom verwendeten Wärmeleitmittel (TIM) sollten Konstrukteure folgende allgemeine Anwendungsrichtlinien beachten:
• Die Oberflächen des Bauteils und der Kühleinheit müssen sauber und trocken sein. Verwenden Sie ein fusselfreies Tuch oder Wattestäbchen und Isopropylalkohol, um Verunreinigungen zu entfernen.
• Bei komprimierbaren Wärmeleitmitteln muss das Material mit gleichmäßigem Druck über die gesamte Oberfläche komprimiert werden. Überschreitet der angewendete Druck den zulässigen Wert, kann das Material beschädigt werden.
• Um eine optimale Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, müssen alle Luftblasen und/oder Hohlräume auf der Oberfläche entfernt werden.
• Die Betriebstemperatur des Wärmeleitmittels muss die Kombination aus Umgebungstemperatur und Temperaturanstieg des zu kühlenden Bauteils abdecken.
Fazit:
Wärmemanagement stellt in vielen elektronischen Systemen eine Herausforderung dar. Wie gezeigt, können Entwickler eine Vielzahl von Wärmeleitpasten (TIMs) aus unterschiedlichen Materialien wie Silikonen, Phasenwechselmaterialien, Graphit und Schaumstoffpads einsetzen. Der Einsatz von TIMs ermöglicht die für eine effektive Wärmeübertragung notwendigen niedrigen Wärmewiderstände und vermeidet gleichzeitig Verunreinigungen, die bei der Verwendung von Wärmeleitpasten oder -fetten auftreten können.
Während Pasten und Fette Wärme nur vertikal leiten, haben Entwickler die Wahl zwischen spaltfüllenden TIMs, die Wärme vertikal ableiten, und Wärmeverteilern, die Wärme horizontal ableiten. Viele TIMs sind zudem ohne Mindestbestellmenge und Werkzeugkosten erhältlich und stellen somit eine kostengünstige Option für Wärmemanagement-Systeme dar.
Autor: Rolf Horn, Digi-Key Electronics.
Rolf Horn, Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics, ist seit 2014 Teil des europäischen technischen Support-Teams. Seine Hauptaufgabe ist die Beantwortung von Entwicklungs- und Engineering-Anfragen von Endkunden in der EMEA-Region sowie das Verfassen und Redigieren von Artikeln und Blogbeiträgen in deutscher Sprache für die TechForum- und maker.io-Plattformen von DK. Vor seinem Wechsel zu Digi-Key war er für verschiedene Halbleiterhersteller tätig und spezialisierte sich auf FPGA-basierte Embedded-Systeme, Mikrocontroller und Prozessoren für industrielle und automobile Anwendungen. Rolf hat einen Abschluss in Elektrotechnik und Elektronik von der Hochschule München. Seine Karriere begann er bei einem lokalen Elektronikdistributor als Systemarchitekt, wo er sein wachsendes Wissen und seine Erfahrung als geschätzter Berater einbrachte.
