Folien für verschiedenste Anforderungen

Ziel eines jeden Wärmemanagements ist es, Verlustwärme abzuführen und damit elektronische Bauelemente vor dem Wärmetod zu bewahren. Eine bestimmende Größe bei der Betrachtung des Wärmemanagements ist dabei der thermische Widerstand. Dieser Wärmekennwert ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die in einem Objekt oder Material beim Hindurchtreten eines Wärmestromes entsteht. Er ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit. Das heißt, je besser ein Bauteil die Wärme ableitet, desto kleiner ist sein Wärmewiderstand. Ausgehend beispielsweise von der Sperrschichttemperatur eines Halbleiters wird Wärme über den Leadframe auf das Transistorgehäuse und dessen Kühlkörper übertragen und muss von dort über die Leiterplatte oder zu einem Kühlkörper abgeführt werden.

Wann und wo muss Wärmeleitmaterial eingesetzt werden?

Bei der Kontaktierung von zwei flachen Oberflächen, wie beispielsweise Transistor und Kühlkörper, liegt die effektive Kontaktfläche oft unter zehn Prozent. Die restliche Fläche ist ein Luftpolster (Airgap). Luft ist jedoch der schlechteste Wärmeleiter und behindert den Wärmetransport ganz erheblich. Deshalb muss ein wärmeleitender Pfad der Transistoroberfläche so gewählt werden, dass die Wärmeenergie optimal in die Wärmesenke abgeleitet wird. Ebenheit und Rauheit der Oberflächen von Halbleiter und Kühlkörper sind wichtige Kriterien für den thermischern Widerstand. Beeinflussende Größen sind dabei:

•  Materialpaarung,
•  Anpressdruck und -fläche,
•  Oberflächenrauigkeit,
•  Ebenheit und Beschaffenheit der Oberflächen und
•  Füllmaterial (Wärmeleitmaterial).

Der Wärmestrom erfolgt hier durch die Wärmeleitung in den Zwischenräumen, die den Haupteffekt ausmacht und durch den geringen direkten Kontakt. Vernachlässigbar ist in diesem Fall die Wärmestrahlung.

Um eine gute Wärmeleitung in den Zwischenräumen sicherstellen zu können, kamen früher vermehrt flüssige Füllmaterialien zum Einsatz. Allerdings sind diese schwer zu handhaben und können nur mit erheblichem technischem Mehraufwand prozesssicher in automatischen Fertigungslinien integriert werden. Deshalb kommen heutzutage Folien in den verschiedensten Ausführungen als Wärmeleitmaterial zum Einsatz. Grundsätzlich wird in isolierende und nicht isolierende Wärmeleitfolien unterschieden.

Isolierende Wärmeleitfolien

Isolierende Wärmeleitfolien sind beispielsweise die silikonfreien und wärmeleitenden Folien der Produktreihen Heatpad KU-SAD, -SFA und -SFB. Überall dort, wo Silikone aufgrund von chemischen Anforderungen nicht verwendet werden können, kommen diese Interface-Materialien zum Einsatz. Zur Steigerung der mechanischen Stabilität sind sie zum Teil auch glasfaserverstärkt.

Die Folientypen bieten eine gute thermische Leitfähigkeit und verfügen über eine sehr hohe elektrische Isolation (Durchschlagsfestigkeit bis 5,5 kV). Geringe Härte und hohe Flexibilität gleichen Oberflächenunebenheiten optimal aus, wodurch sich der thermische Gesamtübergangswiderstand deutlich reduziert. Zudem garantieren die mechanischen Eigenschaften der Folien eine einfache, schnelle und prozesssichere Verarbeitung.

Nicht isolierende Wärmeleitfolien

Zu den nicht isolierenden Wärmeleitfolien von Kunze zählt ein High-Performance-Material aus Grafit. Die aus der CBMA-Reihe stammende Interface-Folie ist ein sehr gutes Hilfsmittel zur thermischen und mechanischen Anbindung von Wärmequellen an Wärmesenken, die keiner elektrischen Isolation bedürfen. Sie besteht zu 98 Prozent aus reinem Grafit, verfügt über eine Dichte von 1,35 g/cm und weist eine hohe anisotrope Wärmeleitfähigkeit von etwa 140 W/mK in der Flächenrichtung parallel zu den Kontaktflächen auf. Einsatzbereiche dieses Interface-Materials sind überall dort, wo Wärme effizient von Punktquellen abgeleitet werden muss, zum Beispiel bei der Entwärmung von LEDs, bei PV-Wechselrichtern, TFT-Bildschirmen und Netzgeräten. Außerdem werden sie bei Energiespeichermedien verwendet, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren, bei denen keine elektrische Isolation erforderlich ist. Erhältlich ist die anisotrope Grafitfolie KU-CBMA in den Stärken 0,125 und 0,25 mm als kundenspezifisches Stanzteil sowie auf Rollen einseitig haftend. Geeignet ist sie für Einsatztemperaturen von -250 bis +400 °C.

(ah)