Optimierung des Wärmemanagements mit Wärmeverteilern und Spaltfüllstoffen

Ein gutes Wärmemanagement ist wichtig, um die Leistung und Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten zu gewährleisten. Das Konzept ist einfach: Es beginnt mit dem Transfer unerwünschter Wärme von der Quelle weg und der Verteilung über eine größere Fläche, um sie effektiv abzuleiten und dadurch eine Kühlung zu erzielen. Aber in vielen Fällen kann die Umsetzung eine Herausforderung sein.

Die Oberflächen von wärmeerzeugenden Geräten sind in der Regel nicht glatt genug, um die niedrige thermische Impedanz zu erreichen, die für eine gute Wärmeübertragung erforderlich ist. Bei einigen Geräten sind die Oberflächen nicht plan, was das Wärmemanagement erschwert. Außerdem können sich die zu kühlenden Komponenten tief im Inneren des Systems befinden, was die Ableitung der potenziell schädlichen Wärme weiter erschwert.

Wärmeleitpasten und -fette können verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern, aber es kann schwierig sein, die erforderliche Deckung zu erreichen, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten und ein übermäßiges Auftragen zu vermeiden, das zu einer Verunreinigung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte und zu Kurzschlüssen führen kann. Außerdem können Wärmeleitpasten und -fette die Wärme nicht seitlich von der Quelle weg verteilen.

Stattdessen können Entwickler auf eine Vielzahl von Materialien für thermische Schnittstellen (TIMs) zurückgreifen, darunter Spaltfüller und Wärmeverteiler, um die für eine effektive Wärmeübertragung erforderlichen gleichbleibend niedrigen thermischen Impedanzen zu erzielen und gleichzeitig alle Bedenken hinsichtlich Verunreinigungen zu beseitigen. Um spezifische Systemanforderungen zu erfüllen, können TIMs so strukturiert werden, dass sie Wärme vertikal übertragen oder seitlich verteilen. TIMs sind in verschiedenen Dicken erhältlich, um den Anforderungen spezifischer Anwendungen gerecht zu werden. Sie sind mechanisch stabil bei hohen Betriebstemperaturen und bieten eine hohe elektrische Isolierung und lassen sich leicht anwenden.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über das Wärmemanagement und enthält allgemeine Richtlinien zur Auswahl von TIMs. Anschließend werden mehrere TIM-Optionen von Würth Elektronik vorgestellt und die jeweiligen Anwendungs- und Designüberlegungen untersucht.

Was sind TIMs?

TIMs werden zwischen einer Wärmequelle und einer Kühleinheit platziert, um die thermische Kopplung und den Wärmefluss zu verbessern. Zwei Faktoren erhöhen die Effizienz der thermischen Kopplung. Erstens passt sich das TIM mikroskopisch kleinen Unebenheiten der Oberfläche an und eliminiert alle isolierenden Lufteinschlüsse, die die Wärmeleitfähigkeit der Grenzfläche verringern (Abbildung 1). Zweitens verfügen TIMs über die erforderliche Wärmeleitfähigkeit, um die Wärme effektiv von der Quelle zum Kühlkörper zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit, K, wird in Watt pro Meter pro Grad Kelvin (W/(m·K)) angegeben. Sie wird nach ASTM D5470, „Standardprüfverfahren für die Wärmedurchgangseigenschaften von wärmeleitenden elektrischen Isolierstoffen“, gemessen.

Abbildung 1: Ein TIM (blau) wird verwendet, um die mikroskopischen Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen von Bauteilen und Kühleinheiten auszugleichen, um die thermische Kopplung zu verbessern. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Neben der Wärmeleitfähigkeit gibt es bei der Auswahl eines TIMs mehrere weitere Faktoren zu berücksichtigen:

• Der Betriebstemperaturbereich ist wichtig, da verschiedene TIMs für unterschiedliche Temperaturbereiche spezifiziert sind.
• Der Abstand zwischen den Kontaktflächen und die Frage, ob das TIM komprimiert werden muss, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten.
• Druckbeständigkeit des TIM.
• Einige TIMs sind mit Klebstoffen auf der Oberfläche erhältlich, die eine mechanische Befestigung ermöglichen.
• Elektrische Isolationseigenschaften des TIMs, da einige Materialien zur elektrischen Isolierung verwendet werden können.
• Einige TIMs sind als Standardkomponenten ohne Mindestbestellmenge und ohne Werkzeugkosten erhältlich, während andere in kundenspezifischen Formen verfügbar sind, die für spezifische Anwendungsanforderungen optimiert werden können.

Auswahl an Lückenfüllmaterialien

Der Silikonspaltfüller WE-TGF ist ein Allzweckmaterial, das für Niederdruckanwendungen entwickelt wurde, die von einer elektrischen Isolierung profitieren, bei der das TIM zwischen 10 und 30 % seiner Dicke komprimiert wird. Ein Überschreiten des empfohlenen Kompressionsgrades kann zum Austreten von Silikonöl führen, was die erwartete Lebensdauer des Materials verkürzt und möglicherweise die Leiterplatte verunreinigt. Diese TIMs sind für die Verwendung zwischen zwei mechanisch festen Oberflächen konzipiert, da sie über ihre natürliche Klebrigkeit hinaus keinen zusätzlichen Klebstoff enthalten. Es sind Dicken von 0,5 bis 18 Millimetern (mm) mit Wärmeleitfähigkeiten zwischen 1 und 3 W/(m·K) erhältlich. Dicken von 0,5 bis 3 mm unterstützen eine höhere Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 2).

Abbildung 2: Thermische Spaltfüllstoffe von Würth sind für die unterschiedlichsten Anwendungen erhältlich. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Teilenummer 40001020 ist beispielsweise ein 400 x 200 mm großes Pad mit einer Dicke von 2 mm, einem K-Wert von 1 W/(m·K) und einer elektrischen Durchschlagsfestigkeit (E_BR) von 8 kV/mm. Aufgrund ihrer weichen und elektrisch isolierenden Eigenschaften eignen sich die Spaltfüllstoffe WE-TGF für den Einsatz zwischen einem oder mehreren elektronischen Bauteilen und einer Kühlvorrichtung (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Lückenfüller aus Silikonelastomer ist dazu bestimmt, eine Lücke zwischen einem oder mehreren elektronischen Bauteilen und einer Kühleinheit, wie einem Kühlkörper, einer Kühlplatte oder einem Metallgehäuse, zu füllen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Für Wärmemanagementanwendungen, die eine elektrische Isolierung und ein dünneres Profil erfordern, können Entwickler das thermisch leitende Silikonisolierpad WE-TINS mit einem K von 1,6 bis 3,5 W/(m·K) und einer Dicke von 0,23 mm verwenden. Die Teilenummer 404035025 hat einen K-Wert von 3,5 W/(m·K) und einen E_BR von 6 kV/mm. Wie alle Teile der Serie WE-TINS ist auch das 404035025 eine Kombination aus wärmeleitendem Silikonkautschuk und einem Glasfasernetz. Das Netz erhöht die mechanische Festigkeit und ist durchstich- und scherfest. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Struktur lassen sich diese TIMs beliebig komprimieren und weisen eine hohe Zugfestigkeit auf.

Thermische Phasenwechselmaterialien und Thermotransferbänder sind noch dünner und haben ein Profil von nur 0,02 mm. Das phasenwechselnde TIM der Serie WE-PCM beispielsweise verwandelt sich bei einer bestimmten Temperatur von einem festen in einen flüssigen Zustand und sorgt so für eine vollständige Benetzung der Grenzfläche, ohne dass etwas ausläuft oder überläuft. Es ist für die Verwendung mit hochleistungsfähigen integrierten Schaltkreisen oder Leistungskomponenten und Kühlbaugruppen konzipiert. Das Produkt mit der Nummer 402150101020 hat beispielsweise eine Größe von 100 mm im Quadrat mit beidseitigem Klebstoff, einem K von 5 W/(m·K), einem E_BR von 3 kV/mm und einer Phasenwechseltemperatur von 55 Grad Celsius (°C).

Das Thermotransferband WE-TTT ist ein doppelseitiges Klebeband, das die mechanische Befestigung beider Kontaktflächen ermöglicht. Es hat einen K-Wert von 1 W/(m·K) und einen E_BR von 4 kV/mm und ist für Niederdruckanwendungen konzipiert. Es ist in Breiten von 8 mm (Teilenummer 403012008) und 50 mm (Teilenummer 403012050) auf 25-Meter-Rollen erhältlich.

Wärmeabführende Lösungen aus Graphit

Auf synthetischem Graphit basierende TIMs bieten die höchste Wärmeleitfähigkeit (Abbildung 4). Die Artikelnummer 4051210297017 aus der Familie WE-TGS ist ein Wärmeverteiler aus synthetischem Graphit mit den Abmessungen 297 x 210 mm und einem K-Wert von 1800 W/(m·K), der keine elektrische Isolierung bietet. Die Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, geringem Gewicht und geringer Dicke (0,03 mm) macht diese Graphitfolien für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, von Hochleistungs-Halbleitermodulen bis hin zu Handgeräten.

Abbildung 4: Wärmeverteiler aus Graphit bieten hohe Wärmeleitfähigkeiten in mehreren Dimensionen und sind nur 0,03 mm dünn. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Serie WE-TGFG kombiniert Graphitfolien mit Schaumstoffpads, um einzigartige Wärmemanagementlösungen mit einem K von 400 W/(m·K) und einem E_BR von 1 kV/mm zu schaffen. Lange Dichtungen können als Wärmeverteiler hergestellt werden, die die Wärme seitlich von der Quelle zu einer Kühleinheit in einem anderen Teil des Systems leiten (Abbildung 5). Das Produkt 407150045015 ist beispielsweise 45 mm lang, 15 mm breit und 1,5 mm dick und kann in Anwendungen eingesetzt werden, die von Spaltfüllungen und seitlicher Wärmeübertragung profitieren.

Abbildung 5: Ein TIM, das auf ein heißes Bauteil gelegt wird, kann wie ein Wärmeverteiler wirken und die Wärme seitlich vom Bauteil wegleiten. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Um höhere Wärmeleitfähigkeiten mit Silikonpads wie den Spaltfüllern WE-TGF zu erreichen, muss das Pad dünner gemacht werden. Mit den TIMs WE-TGFG können Entwickler Lücken von bis zu 25 mm mit einer viel höheren Wärmeleitfähigkeit füllen als mit Silikonpads, und die WE-TGFG können in kundenspezifischen Geometrien hergestellt werden, um in nicht planare Räume zu passen (Abbildung 6).

Abbildung 6: Eine Graphitschaumdichtung (Mitte) kann mit verschiedenen Geometrien hergestellt und als Schnittstelle zwischen einer Wärmequelle (unten) und einem nicht ebenen Wärmeableitungselement (oben) verwendet werden. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Kombinierte TIMs für bessere Performance

TIMs können kombiniert werden, um ein höheres Leistungsniveau zu erreichen. So kann beispielsweise ein Graphit-Wärmeverteiler WE-TGS mit einem Silikonspaltfüller WE-TGF kombiniert werden, um die Verwendung eines Kühlkörpers zu ermöglichen, dessen Grundfläche größer ist als die der Wärmequelle, wodurch die Kühlleistung der gesamten Baugruppe erhöht wird (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Kombination eines Graphit-Wärmeverteilers (TIM 1) WE-TGS mit einem Silikonspaltfüller (TIM 2) WE-TGF kann die Verwendung eines Kühlkörpers ermöglichen, der größer ist als die Grundfläche des heißen Bauteils, was eine bessere Kühlung ermöglicht. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Allgemeine Anwendungshinweise

Unabhängig von den verwendeten TIMs gibt es einige allgemeine Anwendungsrichtlinien, die von den Entwicklern berücksichtigt werden müssen:

• Die Oberflächen des Bauteils und der Kühleinheit müssen sauber und trocken sein. Mit einem fusselfreien Tupfer oder Wischtuch und Isopropylalkohol sollten Sie jegliche Oberflächenverschmutzung entfernen.
• Bei der Verwendung von TIMs, die komprimiert werden müssen, sollte das Material mit gleichmäßigem Druck über die gesamte Fläche komprimiert werden. Das Material kann beschädigt werden, wenn der ausgeübte Druck den angegebenen Wert überschreitet.
• Um die beste Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, müssen alle Luftblasen und/oder Lücken an der Oberfläche beseitigt werden.
• Die Betriebstemperatur des TIM muss der Kombination aus der Umgebungstemperatur und dem Temperaturanstieg des zu kühlenden Bauteils gerecht werden.

Fazit

Das Wärmemanagement ist ein Problem, das bei einer Vielzahl von elektronischen Systemen auftritt. Wie gezeigt, können Entwickler auf eine breite Palette von TIMs zurückgreifen, die aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, darunter Silikone, Phasenwechselmaterialien, Graphit und Schaumstoffpads. Die Verwendung von TIMs kann die für eine effektive Wärmeübertragung erforderlichen konstant niedrigen thermischen Impedanzen liefern und gleichzeitig Verunreinigungsprobleme beseitigen, die bei der Verwendung von Wärmeleitpasten oder Fetten auftreten können.

Während Pasten und Fette die Wärme nur vertikal übertragen, können Entwickler zwischen Spaltfüller-TIMs, die die Wärme vertikal leiten, und Wärmeverteilern, die die Wärme seitlich leiten können, wählen. Schließlich sind viele TIMs ohne Mindestbestellmenge oder Werkzeugkosten erhältlich, was sie zu einer wirtschaftlichen Wahl für Wärmemanagement-Designs macht.

Empfohlene Lektüre

1. Eine Einführung in das Wärmemanagement
2. Grundlagen der Auswahl und Anwendung von Kühlkörpern