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Flüssige Wärmeleitmaterialien bieten formschlüssige, stressfreie Hochleistung

Effektives Wärmemanagement für anspruchsvolles Gerätedesigns
Flüssige Wärmeleitmaterialien bieten formschlüssige, stressfreie Hochleistung

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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

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.

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 ~104 und 106 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 ~102 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.

Schnelle Produktion, einfache Lieferkette und niedrigere Kosten

Die mögliche Automatisierung des Auftrags ist eine Eigenschaft von flüssigen Wärmeleitmaterialien, die zahlreiche Vorteile bietet. Am offensichtlichsten ist dabei der erhöhte Durchsatz und Ertrag durch den Einsatz automatischer Dosiergeräte im Vergleich zur manuellen Auftragsmethode, die häufig bei Pad- und folienbasierten Materialien zum Einsatz kommt. Die abrasiven Eigenschaften des Füllstoffs im flüssigen Wärmeleitmaterial führen zwar zu höheren Anforderungen an die Robustheit und Leistungsfähigkeit der Dosiergeräte, aber die erhöhte Produktionsgeschwindigkeit macht den Aufwand für Spezialequipment oder Wartungsanforderungen mehr als wett. Darüber hinaus ermöglicht das Dosierverfahren je nach Anwendungsanforderung eine unendliche Vielfalt an Auftragsvolumen, -dicken und -mustern. Ein einzelnes flüssiges Wärmeleitmaterial kann für zahlreiche Programme eingesetzt werden, was den Materialverlust reduziert, die Effizienz maximiert und die Lieferkette drastisch vereinfacht. Pad- und folienbasierte Wärmeleitmaterialien müssen dagegen in verschiedenen Dicken und Formen mit jeweils eigenen Artikelnummern beschafft werden und erfordern separate Qualifizierungsprozesse. Beim Einsatz von flüssigen GapFillern brauchen Anwender häufig nur zwei oder drei verschiedene flüssige Wärmeleitmaterialien für all ihre Montageprogramme, wo sie früher mehr als 100 verschiedene Pads vorhalten mussten.

Und jenseits der Vorteile von flüssig dosierten Wärmeleitmaterialien mit Blick auf Verwaltungsaufwand, Werkzeuge, Durchsatz und Ertrag sind diese Produkte im Allgemeinen auch günstiger in der Beschaffung als hinsichtlich Leitfähigkeit und Zusammensetzung vergleichbare Wärmeschnittstellen-Pads. Die Kosten für das flüssige Wärmeleitmaterial mit 1,8 W/m-K 25 % sind niedriger als die für Wärmeschnittstellen-Pads mit 2,0 W/m-K.

Win-Win-Situation

Mit flüssigen wärmeleitfähigen Spaltfüllern können Gerätedesigner das Optimum bei allen Szenarien zur Wärmeableitung erzielen. Flüssige Wärmeleitmaterialien sind außerordentlich vielseitig und in verschiedenen Formulierungen verfügbar, mit Wärmeleitfähigkeiten zwischen 1,0 W/m-K und 4,0 W/m-K, auf Silikonbasis oder nichtflüchtig und silikonfrei, sowie mit verschiedenen Aushärte- und Verarbeitungszeitprofilen. Sie verbinden die Wärmeleitfähigkeit und Spaltfülleigenschaften herkömmlicher Wärmeleitpasten mit der mechanischen Stabilität eines Wärmeleit-Pads und ermöglichen so eine überragende Wärmeübertragung und ausgezeichneten Schutz vor mechanischer Belastung bei zahlreichen Anwendungen.

Die Markttrends hin zu ultradünnen Gehäusen, hochdichten, extrem feinen Verbindungen und steigender Leistungsdichte werden sich weiter verstärken und flüssig dosierbare Wärmeleitmaterialien der nächsten Generation schlicht zu einer Notwendigkeit machen. Die Materialien eignen sich für kleine und mittlere Produktionsvolumina ebenso wie für die Großserienproduktion und vereinfachen Herstellung und Logistik – bei gleichzeitig herausragender Leistung.

www.henkel.com/electronics

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