Die große Bedeutung der Wärmeleitmaterialien

Im Bereich des Wärmemanagements wird den Lüftern, Kühlkörpern und Peltier-Baugruppen viel Aufmerksamkeit geschenkt, so dass die Art und Weise, wie diese Komponenten zusammengebaut werden, leicht in Vergessenheit geraten kann. Ein gutes Wärmeleitmaterial (TIM) ist von größter Bedeutung für die optimale Performance dieser Wärmemanagementtechniken. Der Zweck von TIMs besteht darin, die winzigen, mikroskopisch kleinen Hohlräume zwischen zwei ungleichmäßigen Oberflächen mit einer Substanz zu besetzen, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist. TIMs können aus verschiedenen Materialien bestehen, die die Leitfähigkeit verbessern und eine effiziente Wärmeübertragung von einem wärmeerzeugenden Element wie einem Leistungstransistor zu einem Wärmeableiter wie einem Kühlkörper, einem thermoelektrischen Kühler oder beidem gewährleisten. In diesem Artikel werden die Begriffe Wärmeleitfähigkeit und Impedanz genauer definiert, während gleichzeitig ein Überblick über die verschiedenen Arten von TIMs vermittelt wird, die einem Entwicklungsingenieur zur Verfügung stehen.

Abbildung 1: Grundlegende Darstellung eines TIMs, das Luftspalten zwischen zwei ungleichmäßigen Oberflächen füllt. (Bildquelle: Same Sky)

Übersicht über die Wärmeleitfähigkeit

Um zu verstehen, wie das Füllen dieser mikroskopischen Hohlräume die Wärmeübertragung verbessern kann, ist ein klares Verständnis der Wärmeleitfähigkeit unerlässlich. Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu übertragen, und hängt nicht von der Größe einer bestimmten Komponente ab. Dieser Parameter wird im Allgemeinen in Einheiten der Leistung geteilt durch Fläche und Temperatur angegeben, z. B. W/(m·°C) oder W/(m·K). Da eine Einheit auf der Kelvin-Skala einem Grad Celsius entspricht, ist bei den Berechnungen nur die relative Temperaturänderung von Bedeutung, nicht der absolute Wert.

Wenn es um die Wärmeabgabe geht, ist eine höhere Wärmeleitfähigkeit immer wünschenswert. Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit weisen eine niedrige Wärmeübertragungsrate auf, während Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit eine schnellere Übertragung der Wärme ermöglichen. Zum Vergleich: Die Wärmeleitfähigkeit von Luft beträgt lediglich 0,0263 W/(m·K) und liegt damit etwa zwei Größenordnungen unter der von Wärmeleitmaterialien. Wenn zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper Luftspalten vorhanden sind, wird die Wärmeabgabe behindert. Durch die Füllung dieser Hohlräume mit einem TIM, das eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft aufweist, wird eine effizientere Wärmeübertragung erreicht.

Überblick über den thermischen Widerstand

Andererseits hängt die thermische Impedanz oder der Widerstand stark von der Form eines bestimmten Bauteils ab und wird in Einheiten der Temperatur geteilt durch die Leistung ausgedrückt, z. B. in Grad Celsius pro Watt. Obwohl der thermische Widerstand in den Blogs Überblick über das Wärmemanagement und Wie man einen Kühlkörper auswählt von Same Sky ausführlich behandelt wird, hier eine kurze Zusammenfassung. Der thermische Widerstand, der in Einheiten von C/W angegeben wird, bestimmt, um wie viel Grad Celsius eine Verbindung pro Watt abgegebener Leistung wärmer wird. Wenn beispielsweise ein Anschluss, der eine Leistung von 4 Watt abgibt, einen Widerstand von 10 C/W hat, erhöht sich seine Temperatur relativ zur Umgebungstemperatur um 40 Grad Celsius. Häufig wird der Wert des thermischen Widerstands für ein bestimmtes Medium und eine bestimmte Fläche angegeben, z. B. ein TO-220-Gehäuse gegen Luft ohne Kühlkörper.

Wenn mehrere Komponenten integriert sind, wird ein neuer Wert für den thermischen Widerstand zugewiesen. Dieser Wert für den thermischen Widerstand setzt jedoch voraus, dass eine perfekte Verbindung zwischen den beiden Oberflächen besteht, was nicht immer der Fall ist. In solchen Situationen wird ein Wärmeleitmaterial verwendet, um möglichst ideale Bedingungen zu schaffen. Dadurch wird zwar die Wärmeübertragung verbessert, aber auch die Komplexität erhöht, da der thermische Widerstand des Wärmeleitmaterials in die Berechnungen einbezogen werden muss. Es mag ironisch erscheinen, dass das Wärmeleitmaterial zwar den thermischen Widerstand zwischen zwei Objekten reduziert, aber auch einen eigenen thermischen Widerstand besitzt. Dieser Wert ist zwar nicht unbedeutend, verringert aber den thermischen Widerstand zwischen zwei Objekten deutlich mehr, als dass er ihn vergrößert. Je nach Typ des verwendeten TIMs kann dieser thermische Widerstand angegeben sein oder muss auf der Grundlage der Dicke des TIMs und der Fläche, auf der er aufgebracht wird, berechnet werden.

Abbildung 2: Beispiel für die typischen Pfade der thermischen Impedanz, die bei einer Anwendung in Betracht gezogen werden können. (Bildquelle: Same Sky)

Gängige Typen von Wärmeleitmaterial

Wärmeleitmaterialien, die die Form von Gelen, Fetten, Pasten und Belägen annehmen können, bieten verschiedene Lösungen für die Herausforderungen des Wärmemanagements. Unter diesen sind Wärmeleitpasten, einschließlich Gele und Fette, für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit, Flexibilität und die Fähigkeit, größere Lücken zu füllen, bekannt. Die Anwendung der Paste kann jedoch kompliziert sein, insbesondere auf unebenen Oberflächen, und führt nicht immer zu gleichmäßigen Ergebnissen. Eine zu großzügige Anwendung kann zu einer Verringerung der Gesamtwirkung führen, während eine unzureichende Anwendung die Performance der thermischen Schnittstelle beeinträchtigen kann. Darüber hinaus können Pasten auf Metallbasis, die eine hervorragende Leitfähigkeit aufweisen, zu elektrischen Gefahren führen, wenn sie auf die Platine gelangen. Keramik- oder kohlenstoffbasierte Pasten können eine sicherere Alternative sein, aber ihr Wirkungsgrad ist möglicherweise nicht so gut wie bei metallbasierten Optionen.

Im Gegensatz dazu sind Wärmeleitpads feste Einlagen aus Silikon oder silikonfreien Elastomeren, wobei auch viele andere Materialien erhältlich sind. Die Wärmeleitfolien von Same Sky sind beispielsweise natürlich klebrig, elektrisch isoliert und haben unterschiedliche Nenngrößen der Leitfähigkeit, die von 1,0 bis 6,0 W/(m·K) reichen. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Wärmeleitfolien anstelle von Pasten ist ihre einfache Anwendung. Die Wärmeleitfolien von Same Sky sind auf die Profile der Peltierkomponenten des Unternehmens zugeschnitten. Das spart Zeit und bietet mehr praktischen Nutzen bei der Baugruppe, als wenn man große Wärmeleitfolien kaufen und diese auf die richtige Größe zuschneiden müsste. Wärmeleitfolien bieten außerdem eine höhere Konsistenz, sauberere Verarbeitung und sind besser wiederverwendbar als Wärmeleitpasten.

In Situationen, in denen der Anwender mit verschiedenen Komponenten und Größen konfrontiert sind, bleibt Wärmeleitpaste jedoch aufgrund ihrer Vielseitigkeit eine bevorzugte Option. Wärmeleitpaste ist auch bei Bastlern beliebt, da sie preiswert und in kleinen Tuben erhältlich ist, so dass keine genauen Messungen und Größenangaben erforderlich sind. Das macht sie zu einer praktischen Option für kleine Projekte und einmalige Anwendungen. Hier ist eine kurze Zusammenfassung der verschiedenen TIM-Optionen:

Tabelle 1: Zusammenfassung der Optionen für Wärmeleitmaterialien. (Bildquelle: Same Sky)

Fazit

Effizientes Wärmemanagement ist ein komplexes Problem, das eine Reihe von Strategien und Lösungen erfordert. Die Bedeutung von Wärmeleitmaterialien als Schlüsselkomponente des Gesamtsystems darf nicht übersehen werden. Ob in der Prototyp-Phase, beim Übergang zur Produktion oder bei der Verwendung von Wärmeleitmaterialien für Hobbyprojekte, das Verständnis der Gründe für ihre Notwendigkeit und der Mechanismen, die hinter ihrer Funktion stehen, kann die thermische Performance eines Entwurfs erheblich beeinflussen.