Die Entwicklung des Wärmemanagements. Das Auftragen von in situ aushärtenden Spaltfüllern wird voraussichtlich zur dominierenden Technik für die Platzierung von Wärmeleitmaterialien in elektronischen Baugruppen werden, da Branchen wie Automobilelektronik, Telekommunikationsgeräte und energieeffiziente Beleuchtung höhere Produktionskapazitäten, dünnere Klebefugen und geringere mechanische Belastungen von Bauteilen und Lötstellen fordern. Dieser Trend wird Veränderungen in den Eigenschaften und der Handhabung von Wärmeleitmaterialien sowie in den Montageprozessen und der in Fabriken eingesetzten Ausrüstung nach sich ziehen. In-situ-Aushärtungshohlraumfüller
Thermisch effiziente Pads und Füllmaterialien sind unerlässlich geworden, um den Bedarf an höherer Leistung und geringerer Größe in elektronischen Baugruppen wie Netzteilen und Steuereinheiten zu decken, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Heutzutage bestehen Wärmeleitmaterialien typischerweise aus mit Keramik gefüllten Silikonelastomeren. Diese sind einfach zu handhaben, passen sich gut der Form und Oberflächenstruktur von Kühlkörpern oder anderen elektronischen Bauteilen an und weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu ruhender Luft auf, für die sie evakuiert werden sollen.
Darüber hinaus wurden silikonfreie Wärmeleitpasten für Anwendungen entwickelt, die besonders empfindlich auf Silikon reagieren. Sie kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn die Gefahr von Lichtbögen oder Faltungen besteht, wodurch Silikone in isoliertes Siliziumdioxid umgewandelt werden und der ordnungsgemäße Betrieb des Systems beeinträchtigt werden kann.
Vorgeformte Füllkissen in Standard- oder kundenspezifischen Formen, Größen und Stärken bieten mindestens einen entscheidenden Vorteil: Sie sind im Vergleich zu älteren Materialien wie Wärmeleitpasten extrem einfach anzuwenden. Wärmeleitpasten gelten allgemein als schwierig und unpräzise in der Anwendung und sind daher in modernen Produktionsumgebungen unerwünscht. Es besteht jedoch ein wachsender Bedarf an Wärmeleitmaterialien, die sich direkt vor Ort formen lassen (Abbildung 1).
Flüssig aufgetragene, wärmehärtende Wärmeleitmaterialien ermöglichen extrem dünne Klebefugen, was die Wärmeleitfähigkeit verbessert und insbesondere bei hochminiaturisierten Baugruppen wie elektronischen Steuergeräten (ECUs) in der Automobilindustrie von Vorteil ist. Durch die präzise Berechnung von Größe und Volumen des Auftragmaterials lässt sich der Druck auf empfindliche Bauteile wie kleine SMD-Bauteile und BGA-Chips im fertigen Zustand minimieren. BGA-Hersteller geben häufig einen maximalen Druck pro Pin an, der überschritten werden kann, wenn die Verschlusskappe gegen das Wärmeleitpad des Bauteils gedrückt wird.
Darüber hinaus imprägniert sich das vor Ort aushärtende Material nach dem Auftragen vollständig und passt sich daher auch rauen Oberflächen hervorragend an. Dies verbessert die Vermeidung von Lufteinschlüssen und erhöht somit die Wärmeleistung. Das optimale Volumen und die Form des Auftrags lassen sich präzise durch Versuche mit Glasproben ermitteln, die eine klare Visualisierung der Oberflächenbedeckung und der Klebstoffschichtdicke ermöglichen.
In der Praxis können die Eigenschaften von in-situ aushärtenden Spaltfüllern zu einer verbesserten Wärmeleistung führen, was beim Vergleich mit den in Materialdatenblättern angegebenen herkömmlichen Parametern deutlich wird. Selbst wenn ein in-situ aushärtendes Material eine scheinbar geringere Wärmeleitfähigkeit (W/mK) im Vergleich zu etablierten Wärmeleitmaterialien wie Wärmeleitpads aufweist, können die dünneren Klebefugen und die hervorragenden Imprägnierungseigenschaften des in-situ aushärtenden Materials in der Praxis zu besseren thermischen Eigenschaften beitragen.
Ein weiterer Vorteil von vor Ort aushärtenden Materialien besteht darin, dass sich Designänderungen, die die Position oder Art der verwendeten Bauteile betreffen, schnell durch Anpassung von Form und Volumen des aufgetragenen Wärmeleitmaterials umsetzen lassen. Bei Verwendung eines automatischen Dosierers kann dieser umprogrammiert werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, neue Füllkissen in unterschiedlichen Formen oder Größen zu bestellen (Abbildung 2).
Bergquist hat erfolgreich verschiedene Arten von nicht korrosiven, temperaturstabilen und wärmeleitenden Dosierfülllösungen entwickelt. Dazu gehören Materialien aus zwei verschiedenen Komponenten, die sich beim Dosieren vermischen und angrenzende Oberflächen imprägnieren, um selbst kleinste Spalten und Lufteinschlüsse zu füllen. Die Aushärtung beginnt mit der Vermischung der beiden Komponenten und ist abgeschlossen, sobald das Material positioniert ist. Nach vollständiger Aushärtung bleibt das Material ein weiches, flexibles Elastomer, das dazu beiträgt, Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) bei Temperaturwechselbeanspruchung abzubauen.
Materialeigenschaften:
Bergquist-Spaltfüller sind in unterschiedlichem Maße thixotrop und behalten daher nach dem Dosieren ihre Form. Zum Eindringen in alle angrenzenden Oberflächen ist eine äußere Kraft erforderlich. Diese Materialien weisen im Ruhezustand eine relativ hohe Viskosität auf. Unter Scherbeanspruchung, wie sie beispielsweise beim Dosieren auftritt, sinkt die Viskosität, was das Dosieren erleichtert. Die scheinbare Viskosität hängt von der Scherrate ab; dies sollte beim Testen und Vergleichen von Materialien berücksichtigt werden. Nach dem Dosieren erreicht das Material wieder seine ursprüngliche Viskosität und bleibt somit formstabil innerhalb der Baugruppe, ohne zu verrutschen oder abzutropfen.
Das Verhalten des Materials nach dem Dosieren und vor der Aushärtung wird anhand der Setzfestigkeit beschrieben. Dieser Wert gibt Aufschluss über die inneren Kohäsionseigenschaften (Materialkonsistenz) in Kombination mit den Adhäsionseigenschaften (Haftfähigkeit auf der Zieloberfläche). Bergquists Hohlraumfüller weisen ein breites Spektrum an rheologischen Eigenschaften auf und können an spezifische Kundenanforderungen angepasst werden – von selbststabilisierenden bis hin zu hoch thixotropen Materialien, die beim Dosieren ihre Form beibehalten.
Zweikomponenten-Füllsysteme beginnen nach dem Mischen der Komponenten auszuhärten. Die Topfzeit ist definiert als die Zeit, die benötigt wird, bis sich die Viskosität nach dem Mischen verdoppelt. Sie ist stark temperaturabhängig; oberhalb von 25 °C sinkt sie und unterhalb von 25 °C steigt sie.
Die Aushärtezeit des Zweikomponentenmaterials ist definiert als die Zeit bis zum Erreichen von 90 % Aushärtung nach dem Mischen. Zweikomponenten-Hohlraumfüller härten bei Raumtemperatur (25 °C) aus; die Aushärtung kann durch erhöhte Temperaturen beschleunigt werden. Bergquist-Materialien sind mit unterschiedlichen Verarbeitungs- und Aushärtezeiten erhältlich; diese Parameter sind im jeweiligen Produktdatenblatt angegeben.
Die Beständigkeit unter bestimmten Lagerbedingungen wird ebenfalls angegeben.
Obwohl Spaltfüller nicht als Strukturklebstoffe konzipiert sind, weisen sie nach dem Aushärten eine spürbare natürliche Klebrigkeit auf, die eine leichte Haftung an angrenzenden Bauteilen ermöglicht. Dies trägt zur Materialstabilität bei und verhindert Leckagen bei wiederholten Temperaturzyklen. Faktoren, die die Haftung beeinflussen, sind Sauberkeit, Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit. Daher empfehlen wir, bei der Verwendung von Spaltfüllern alle Oberflächen gründlich mit einem Lösungsmittel zu reinigen und zu entfetten und anschließend vollständig trocknen zu lassen, bevor der Spaltfüller aufgetragen wird.
Anwendungsempfehlungen:
Silikonbasierte Spaltfüller sind in der Regel für den Dauereinsatz bei Temperaturen zwischen -60 °C und 200 °C über längere Zeiträume geeignet. Für bestimmte Anwendungen empfiehlt es sich jedoch, das Verhalten der Materialien im gesamten Spektrum extremer Temperaturen (sowohl hoher als auch niedriger) zu untersuchen, um ihre Eignung für diese Bedingungen sicherzustellen.
Das Zweikomponentenmaterial muss im Volumenverhältnis 1:1 gemischt werden. Um das Mischen ohne aufwendige Messgeräte zu erleichtern, bietet Bergquist statische Einweg-Mischinjektoren aus Kunststoff an. Diese können an den Enden der Kartuschen angebracht oder am automatischen Dosierer montiert werden, um die beiden Komponenten automatisch im gewünschten Verhältnis zu mischen. Bergquist empfiehlt, frisch verschlossene Behälter so lange durch den statischen Mischer zu spülen, bis eine gleichmäßige Farbe erreicht ist. Dadurch wird ein korrektes Mischungsverhältnis von 1:1 sichergestellt. Sofern nicht anders angegeben, werden Mischinjektoren mit mindestens 21 Mischelementen empfohlen, um die optimale Mischung zu erzielen. Um gleichbleibende Materialeigenschaften und Leistung zu gewährleisten, müssen Bergquist Zweikomponentensysteme stets mit den entsprechenden Chargennummern beider Komponenten verwendet werden.
Für optimale Ergebnisse sind Dosiergeräte,
Applikationspistolen und statische Mischer kostengünstige Dosiermethoden für Proben und Kleinserien. Bergquist bietet manuelle Pistolen für 50-ml-, 200-ml- und 400-ml-Kartuschen sowie pneumatische Pistolen für 200-ml- und 400-ml-Kartuschen an. Abbildung 3 zeigt Beispiele für die verfügbaren Zweikomponenten-Kartuschengrößen. Sieben und Schablonieren sind für einige Materialien ebenfalls möglich, wobei zu beachten ist, dass das Material während des Siebens oder Schablonierens auszuhärten beginnt.
Die automatische Dosierung ist die mit Abstand geeignetste Methode für die Hochgeschwindigkeits-Inline-Fertigung; sie ermöglicht eine höhere Wiederholgenauigkeit und einen höheren Durchsatz. Bergquist liefert Füllmaterialien in großvolumigen Behältern bis zu 10 Gallonen (37,8 Liter), die ein schnelles und einfaches Be- und Entladen gewährleisten.
Bergquist arbeitet mit mehreren erfahrenen Anbietern automatisierter Dosiersysteme zusammen, um Kunden bei der Optimierung ihrer Dosierprozesse zu unterstützen. Diese Kooperation trägt zur Optimierung von Anlagendesign und -leistung bei.
Die enge Zusammenarbeit mit den Anlagenlieferanten minimiert zudem die Lieferzeiten und ermöglicht es Kunden, nach Festlegung der Anforderungen an die Dosieranlagen schnell zu handeln. Dies kann ein wichtiges Kriterium für sich schnell wandelnde Branchen wie die Unterhaltungselektronik und die Automobilindustrie sein, um vor Ort aushärtende Spaltfüller als leistungsstärkere Alternative zu herkömmlichen Wärmeleitmaterialien einzusetzen.
Fazit:
Anpassungsfähige, in situ aushärtende Spaltfüller bieten Lösungen für die Herausforderungen, denen sich Konstrukteure miniaturisierter oder in großen Stückzahlen gefertigter Baugruppen gegenübersehen, oder überall dort, wo die mechanische Belastung von Bauteilen durch herkömmliche Spaltpads reduziert werden muss. Mit zunehmender Verwendung dieser Materialien in Anwendungen wie Steuergeräten für Kraftfahrzeuge, Telekommunikationsinfrastruktur und energieeffizienten Lampenvorschaltgeräten werden neue Formulierungen mit höherer Wärmeleitfähigkeit, exzellenten Imprägnierungseigenschaften und außergewöhnlichen Klebefugendicken entwickelt.
Eine zentrale Herausforderung für Elektronikhersteller besteht heute darin, präzise, automatisierte Dosieranlagen für Spaltfüllmaterialien in die Hochgeschwindigkeits-Online-Produktion zu integrieren. Diese Herausforderung lässt sich am besten in einem frühen Stadium angehen, da diese neue Klasse von Wärmeleitmaterialien voraussichtlich schon bald in wichtigen Bereichen der Elektronikindustrie zum Standard werden wird.
Autor:
Uwe Jessen, The Bergquist Company
