Bei der Auswahl von wärmeleitendem Material gibt es viel zu beachten, ein Fehler kann die Zuverlässigkeit einer elektronischen Baugruppe beeinträchtigen. Sind Sie wirklich sicher, dass Ihr Wärmemanagementprozess erfolgreich war?

GF600 Thermal Gap Filler (Bild: Electrolube)

Die Auswahl des richtigen TIM-Typs (Thermal Interface Materials) für eine elektronische Komponente und der vorhergesagten Betriebsbedingungen ist alles andere als einfach. Nach der Auswahl ist es wichtig sicherzustellen, dass das TIM über die erwartete Lebensdauer des Produkts weiterhin zufriedenstellend funktioniert. Um dies zu ermitteln, muss die Leistung des Geräts oder der thermische Widerstand zwischen Gerät und Kühlkörper nach beschleunigter Alterung oder mit Umgebungstests, die reale Bedingungen simulieren, erneut gemessen werden. Nur so können Sie sicher sein, dass die gewählte TIM wirklich geeignet ist.

Wenn ein Produkt mit Wärmeleitpaste vor der Verwendung nicht getestet wird, kann die endgültige Leistung Ihres Produkts stark von Ihren Erwartungen abweichen. Folgende Punkte sind für ein erfolgreiches Thermomanagement unerlässlich:

Der Lambdawert eines Materials ist mitentscheidend für eine effektive Wärmemanagementlösung. Bei der Bewertung von Thermal Interface Material spielen aber auch noch andere Materialeigenschaften eine wichtige Rolle. Mehr zum Thema erfahren Sie hier.

Doch werfen wir einen genaueren Blick, auf die einzelnen Tipps und entdecken, was dahinter steck.

Bei der Auswahl eines Produkts für das Wärmemanagement sollte immer die Aufbringungsmethode in der Produktionsumgebung berücksichtigt werden, da die Dicke und Gleichmäßigkeit eines Wärmegrenzflächenmaterials einen erheblichen Einfluss auf die Wirksamkeit seiner Wärmeleitfähigkeit haben kann. Ein unter Anwendungsbedingungen im Labor getestetes Produkt könnte sich daher nicht wie ein in der Produktion eingesetztes Material verhalten. Aus diesem Grund ist die auf dem Papier am besten geeignete Wahl möglicherweise nicht die beste Wahl, wenn man berücksichtigt, ob sie manuell oder vollautomatisch aufgetragen wird.

Der Wärmewiderstand hängt nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit der Masse ab, sondern berücksichtigt auch die Leistungsfähigkeit des Produkts unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen, indem er auch die Schichtdicke und den Übergangswiderstand an den beiden Grenzflächen berücksichtigt. Die gängigste Methode zur Bewertung der Leistung eines wärmeleitenden Produkts besteht darin, den Wärmewiderstand zwischen Bauteil und Kühlkörper mit und ohne TIM zu überprüfen. Eine andere häufig verwendete Methode ist die Messung der Betriebstemperatur des Geräts oder Teils mit und ohne das angewendete TIM.

Metallische Oberflächen weisen, selbst wenn sie fein poliert sind, eine gewisse Rauheit auf. Daraus lässt sich schließen, dass beim Zusammenfügen von zwei metallischen Oberflächen, z.B. zwischen Kühlkörper und der Basisplatte eines Leistungshalbleiters, kleine Luftspalte zwischen den beiden Oberflächen auftreten. In solche Lücken werden thermische Interface-Materialien (TIMs) eingebracht, um diese Lufteinschlüsse auszufüllen und einen vollständigen Kontakt zwischen den beiden Oberflächen sicherzustellen, wodurch die Effizienz der Wärmeübertragung verbessert wird.

Die Anfangsviskosität eines Wärmemanagementmaterials kann die Aufbringungsmethode beeinflussen. Beim Siebdruck beispielsweise steuert die Maschenweite die Dicke der aufgetragenen Paste. Wenn die Paste zu viskos ist, verteilt sie sich nicht richtig auf dem Sieb und die gewünschte Dicke wird möglicherweise nicht erreicht. Ebenso kann sich das Produkt bei Dosieranwendungen bei zu geringer Viskosität zu gut verteilen und in unerwünschte Bereiche fließen.

Während des Gebrauchs zeigt die Art und Weise, wie ein Material auf Scherkräfte reagiert, wie sich das Produkt unter wechselnden Temperaturbedingungen verhält, wie z.B. der sogenannte Pump-Out-Effekt. Die Viskosität nimmt mit zunehmenden Scherkräften ab. Der Schereffekt kann zwischen zwei Oberflächen auftreten, die sich bei Temperaturänderungen aufgrund eines großen Unterschieds im Ausdehnungskoeffizienten verschieden ausdehnen und zusammenziehen. Der sogenannte CTE-Mismatch kann diesen Pump-Out-Effekt verstärken.

Vibrationen können bei bestimmten Anwendungen ein großes Problem darstellen. Vibrationen bewirken, genau wie der Pump-Out-Effekt, eine physikalische Veränderung und somit kann es zu einer Positionsänderung des TIM kommen. Dies gilt insbesondere in Situationen, in denen es nicht vollständig umschlossen ist und aufgrund von Lufteinschlüssen im Laufe der Zeit zu einer verringerten Wärmeübertragungseffizienz führen kann. Bei Anwendungen zum Füllen von Lücken können die Auswirkungen von Vibrationen viel größer sein, insbesondere wenn das Produkt eine nicht aushärtende Paste oder Mischung ist. Wenn Vibrationstests für die Leiterplatte erforderlich sind, sollten diese Tests mit dem ausgewählten TIM wiederholt werden, um sicherzustellen, dass während der erwarteten Lebensdauer des Geräts keine signifikanten Änderungen beobachtet werden.

Jade Bridges, Global Technical Manager, Electrolube, Leicestershire/UK

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H. K. Wentworth Technologies Electrolube Germany

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