Ergebnis mit Vakuumfügen: Kühlkörper (grau), Wärmeleitkleber (gelb), Keramikplatine (weiß).

Ergebnis mit Vakuumfügen: Kühlkörper (grau), Wärmeleitkleber (gelb), Keramikplatine (weiß). Scheugenpflug

Eine hohe Bauteilleistung und -packungsdichte auf Platinen erfordern eine höhere Wärmeableitung über angrenzende Kühlkörper. Ist dies nicht gewährleistet, kommt es zur Überhitzung der Bauteile und zu deren Zerstörung bzw. zu Funktionsausfällen. Für die Ableitung der Wärme auf die angrenzende Kühlfläche, in der Regel aus Metall (Aluminium), werden so genannte Wärmeleitkleber eingesetzt. Diese füllen den Spalt zwischen den beiden Kontaktflächen, der aufgrund von Unebenheiten oder anderen Einflüssen entsteht.

Die Verformeigenschaften machen Klebstoffe zum idealen Material. Jedoch bringt ihre meist hochviskose Konsistenz oft größere Herausforderungen beim Fügen und Verpressen mit sich. Eine neuartige Verfahrenstechnik bietet hierfür eine schnelle und wirtschaftliche Lösung.

Wärmeleitkleber sind hochgefüllte Ein- oder Zweikomponenten-Klebstoffe. Sie können je nach Schichtdicke mit dem Stempelverfahren oder Dosierverfahren auf die Kühlkörper aufgebracht werden. Dabei gilt, je höher der Füllstoffgehalt, umso höher ist der Wärmeleitwert. Derzeit kommen Wärmeleitkleber mit bis zu 70 % Füllstoffen zum Einsatz.

Um den Anforderungen der Entwicklungsingenieure hinsichtlich der Wärmeableitung gerecht zu werden, wurde der Füllstoffgehalt der Klebstoffe ständig erhöht. Die Grenze liegt dabei nicht an der Anreicherung mit Füllstoffen, sondern an der maschinellen Verarbeitung. Wärmeleitkleber mit hohem Füllstoffgehalt (Dichte höher 3g/cm³) können mit dem Stempelverfahren aufgrund der pastenförmigen Konsistenz nicht mehr auf die Kühlkörperfläche aufgebracht werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die hochviskosen Stoffe mit der Vergusstechnik aufzutragen. Die etwas längere Verarbeitungszeit kann durch das Auftragen von Klebstoffraupen mit relativ großen Linienabständen gut kompensiert werden.

Die Herausforderung

Als Herausforderung stellt sich bei beiden Verfahren das Verpressen der Platine mit dem Kühlkörper heraus. Die flächige Verteilung des Wärmeleitklebers ohne Lufteinschlüsse zwischen den beiden Bauteilen war bisher ein ungelöstes Problem und ist besonders auf die geringe Fließeigenschaft der Wärmeleitkleber zurückzuführen. Mit dem Anpressen durch so genannte Andruckstifte wurde zwar eine ausreichende Verteilung erwirkt, jedoch ist diese Methode nur bedingt geeignet. Die Folge war oft, dass insbesondere bei dünnen und großflächigen Keramiksubstraten die punktuelle und damit überhöhte Krafteinwirkung zum Bruch der Keramikplatine führte.

Die Lösung

Dow Corning, ein weltweit agierender Produzent effektiver Wärmeleitkleber, suchte eine technisch weiter ausgereifte und auch wirtschaftlichere Lösung. Das eigens von der Scheugenpflug AG entwickelte Verfahren des Vakuumfügens schließt alle Anforderungen mit ein und präsentiert ein prozesssicheres Resultat.

Nach dem Auftragen der Kleberaupe auf den Kühlkörper und des Fügens der Platine wird das noch unmontierte Bauteil in eine Miniatur-Vakuumkammer geführt. Durch die geringe Größe der Vakuumbox (15 x 12 x 7 cm³) dauert das Evakuieren und anschließende Belüften nur Sekundenbruchteile. Beim Evakuieren wird jegliche Luft, auch die zwischen der Bahnen der Kleberaupen bzw. zwischen Kühlkörper und Platine komplett entzogen. Beim Belüften führt der schnell ansteigende Luftdruck dazu, dass die Platine gleichmäßig angepresst wird. Das Spaltmaß wird durch das Beimischen von größeren Festkörpern im Klebstoff definiert. Diese sind homogen im Wärmeleitklebstoff verteilt und bestimmen das Spaltmaß über die gesamte Fläche der Platine. Folglich wird der Spaltabstand anhand der Größe der Festkörper definiert.

Jedoch eignen sich nicht alle Dosiersysteme für diese Anwendung. Ideal sind Kolbendosierer, die für große Korngrößen ausgelegt sind und selbst hochgefüllte und abrasive Klebstoffe im Langzeiteinsatz problemlos verarbeiten können.