EPP 10.2017

BAUGRUPPENFERTIGUNG
Effektives Wärmemanagement für anspruchsvolle Gerätedesigns
Flüssige Wärmeleitmaterialien
für stressfreie Hochleistung
Einfach ausgedrückt besteht die Aufgabe aller Wärmeleitmaterialien darin, eine möglichst wirksame Wärmeableitung
zu gewährleisten, indem das Wärme-generierende Gerät mit einem Kühlkörper verbunden wird.
Je effizienter dieses geschieht, desto positiver die Auswirkung auf die Lebensdauer des Bauteils bzw. der
Leiterplatte. Die Oberflächenstrukturen der beiden Komponenten – Wärmequelle und Kühlkörper – haben
jeweils eine bestimmte Rauheit, und das Ziel des Wärmeleitmaterials ist es, diese mikroskopischen Unebenheiten
auf beiden Seiten auszufüllen. Je weniger Hohlräume oder Lufteinschlüsse vorhanden sind, desto
geringer der Wärmewiderstand und desto besser die Wärmeableitung.
Holger Schuh, Henkel Adhesive Electronics, Düsseldorf
Foto: Henkel
Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher
Wärmeleitmaterialien mit verschiedenen Formaten, Wärmeleitfähigkeiten
sowie Verformungs- und Fließeigenschaften. Wärmeleitmaterialien
sind standardmäßig verfügbar als Pads, Folien,
Klebstoff, GapFiller und herkömmliche Pasten und werden häufig
zur Verbindung von zwei Teilen mit weitgehend ebenen Oberflächen
verwendet, z. B. ein QFN-Bauteil mit einem Kühlkörper. Die Toleranzen
zwischen beiden Oberflächen sind grundsätzlich zu berücksichtigen,
und es ist ein geeignetes Material zum Ausgleich dieser Toleranzen
auszuwählen. Bei einer Toleranz zwischen der Oberfläche einer
bestückten Leiterplatte und einem Baugruppenträger oder Gehäuse
von ±0,1 mm ist zum Beispiel ein dünnes Wärmeschnittstellen-Pad,
wie ein Phasen-Change-Material, ideal. Bei relativ großer
Toleranz, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 3,0 mm, gibt es jedoch
kein geeignetes Pad- oder Folienmaterial, das diesen Unterschied
wirksam ausgleichen würde. Bei einer derart großen Abweichung
kommt nur ein flüssiges Wärmeleitmaterial in Frage.
Wärmeleitmaterialien sorgen für die Wärmeableitung vom Bauteil zum
Kühlkörper. Ziel ist es, alle mikroskopisch feinen Unebenheiten auf beiden
Seiten auszugleichen, um maximale Effizienz zu erreichen.
Flüssige Wärmeleitmaterialien füllen Hohlräume
aus und reduzieren die Spannung
Angesichts immer kleiner werdender Geräte und immer komplexerer
Designs ist eine wirksame Wärmeableitung immer schwieriger
zu erreichen, besonders mit klassischen Pads, Folien oder Wärmeleitpasten.
Wenn man sich die Designs von Teilen wie den Windungen
in einem Hybridmotor, der Spulen in einem Trafo oder sogar
LED-Gehäusen betrachtet, erschließen sich die Vorteile flüssiger
Wärmeleitmaterialien sofort.
Da diese Materialien in der Lage sind, in und um eng platzierte und
unterschiedlich hohe Bauteile herumzufließen und hoch variable
Spalten mit großen Toleranzen zu füllen, ist eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit
einer der Hauptvorteile flüssiger Wärmeleitmaterialien.
Das flüssige Medium bietet somit eine einzigartige Formanpassungsfähigkeit
und sorgt für eine deutlich bessere Benetzung, die
zu einem niedrigeren Kontaktwiderstand und damit zu einer effizienteren
Wärmeableitung führt. Der Vergleich eines Gap Pad mit einer
Wärmeleitfähigkeit von 2 W/m-K und eines flüssigen GapFiller
(Cure in Place) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,8 W/m-K, zeigt,
dass mit dem flüssigen Wärmeleitmaterial ein niedrigerer Wärmewiderstand
erzielt wird: Mit 2,05°C/W liegt dieser ca. 30 % unter dem
des Pads mit 3,03°C/W.
Flüssige Wärmeleitmaterialien bieten jedoch nicht nur überlegene
Wärmeableiteigenschaften, sondern senken auch die Gesamtbauteilbelastung
im Vergleich zu einem Wärmeleit-Pad. Der typische
wirksame E-Modul eines wärmeleitfähigen Pads liegt zwischen
~10 4 und 10 6 Pa, mit einer Kompression zwischen 20 % und 30 %
nach dem Aufbringen. Obwohl die Pads weich sind, belastet die erforderliche
Kompression das Bauteil. Dagegen hat ein wärmeleitfähiger
GapFiller ein durchschnittliches Elastizitätsmodul von ~10 2 Pa
und kann bis zur Größe der Füllstoffe komprimiert werden, die in der
Regel bei rund 0,05 – 0,10 mm liegt. Es wird deutlich weniger Kraft
benötigt, um eine gleichmäßige Benetzung mit dem flüssigen Material
zu erreichen, was die Bauteilbelastung bei der Montage drastisch
senkt. Darüber hinaus schützen flüssige wärmeleitfähige Materialien
auch vor Belastung durch Vibrationen, Stöße, Fallen und bei
thermischer Ausdehnung der beiden kontaktierten Oberflächen. Die
Materialien werden aufgetragen und fließen in alle Hohlräume. Sie
härten dann vor Ort aus und bilden eine feste Pad-ähnliche Struktur
zum Schutz vor mechanischer Belastung. Herkömmliche Wärmeleitpasten
bieten zwar eine sehr geringe Montagebelastung, neigen
aber im Laufe der Zeit zur Migration oder zum „Auspumpen“, was
die dauerhafte effiziente Wärmeableitung beeinträchtigt und die mechanische
Belastung erhöht.
32 EPP Oktober 2017