Von Gap-Fillern und Thermal Designs

Thermal Gap Filler passt sich an die Oberfläche zwischen Bauteil und Kühlelement an.Chomerics

Zahlreiche Techniken und Materialien stehen heute Entwicklern und Produktdesignern für die thermische Auslegung (das Thermal Design) eines Systems zur Verfügung. Thermische Füllmaterialien (Thermal Gap Filler) ermöglichen dabei eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuse eines heißen ICs und einem Metallchassis oder Systemgehäuse.

Die Gap Filler von Chomerics machen lüfterlose Designs möglich, die hohe Rechenleistung auf kleinem Raum bieten müssen, wie in tragbaren Geräten. Beim Einfügen des Materials in die Lücke zwischen Bauteil und Kühlelement verbessert das wärmeleitende Material die thermische Leistungsfähigkeit, da die Luft beseitigt wird, die sich normalerweise in der Lücke befindet. Um einen Kühlkörper direkt auf der Bauteiloberfläche zu platzieren, können auch andere Wärmeleitmaterialien wie phasenverändernde Materialien, Wärmeleitpasten oder thermisches Klebeband Verwendung finden, um den Wärmetransport zum Kühlelement zu maximieren.

Ein Vorteil heutiger Wärmeleitmaterialien ist die große Auswahl an Eigenschaften, indem der Anteil des silikonbasierten Bindemittels zu den im Material verteilten wärmeleitenden Keramikpartikeln variiert. Aber Vorsicht: Ein höherer Partikelanteil erhöht zwar die Wärmeleitfähigkeit des Materials, allerdings muss geht man dann bei der Weichheit und Anschmiegsamkeit einen Kompromiss ein. Das kann letztendlich die gesamte thermische Leistungsfähigkeit in der Endanwendung beeinträchtigen. Für Produktentwickler ist es daher wichtig zu wissen, dass eine effiziente Kühlung der Elektronik von der Leistungsfähigkeit des gesamten thermischen Systems abhängt und nicht nur von Datenblattzahlen wie der Wärmeleitfähigkeit des ausgewählten Materials.

Wärmeleitfähigkeit ist eine Volumeneigenschaft eines Materials und ist unabhängig von Faktoren wie Materialgröße oder -form. Der thermische Widerstand eines Materials hängt von der Fläche und Dicke ab. Genau darauf kommt es an, wenn ein System entwickelt werden soll, das Wärme vom Bauteilgehäuse in ein Kühlelement wie ein Chassis oder Gehäuse ableiten soll. Bei der Berechnung des Wärmetransfers in einem Komplettsystem – vom Bauteilgehäuse, in und durch den Thermal Gap Filler, bis hin zum Kühlelement – ist die gesamte Temperaturdifferenz proportional zur Summe aller thermischen Einzelwiderstände, einschließlich des Schnittstellenwiderstands zwischen den sich berührenden Oberflächen.

Die Fähigkeit des Thermal Gap Fillers, zu fließen und sich an die Oberfläche zwischen Bauteil und Kühlelement anzupassen, ist entscheidend für eine gute thermische Leistungsfähigkeit und die Kühlung des ICs. Meist wird Druck angewendet, um die Benetzung und Verteilung des Gap Fillers zu begünstigen und den Kontakt zu den sich berührenden Oberflächen zu verbessern. Der Druck erhöht auch die Wärmeleitfähigkeit des Materials und verringert somit den thermischen Widerstand. Die Wärmeleiteigenschaften des Materials unter erhöhtem Druck sind im Datenblatt angegeben.

Der Druck auf das Gap-Filling-Material kann bei der Montage des Gehäuses erfolgen, wenn das Gehäuse oder Chassis als Kühlelement verwendet wird. Ein härteres Material kann dabei aber einen übermäßigen Druck auf das Bauteilgehäuse oder die I/O-Pins ausüben und sich nicht ausreichend genug auf der Bauteil- und Kühlkörperoberfläche verteilen. Dies kann zu einem relativ hohen Wärmewiderstand an der Schnittstelle führen, was eine schlechtere Wärmeableitung zur Folge hätte. Ein weicheres Material mit besseren Benetzungseigenschaften kann so zu einer besseren thermischen Leistungsfähigkeit beitragen.

Für raue und unebene Oberflächen eignet sich Form-in-Place-Gap Filler.Chomerics

Wenn eine gute Benetzung bei rauen und unebenen Oberflächen erforderlich ist, kann man Form-in-Place-Gap Filler einsetzen. Diese Materialien lassen sich automatisch auftragen, was im Rahmen eines automatischen Fertigungsprozesses die Produktivität erhöht.

Bei den zahlreichen, zu berücksichtigenden Variablen sowie der Vielfalt der Wärmeleitmaterialen und Montagetechniken ist eine wärmetechnische Analyse des gesamten Systems erforderlich. Diese sollte bereits in einem frühen Stadium der Produktentwicklung erfolgen. Wie bei jeder technischen Entwicklung werden Designänderungen im Laufe des Projekts immer teurer, zeitaufwändiger und schwieriger lösbar. Eine rechtzeitige, genaue Analyse der Leiterplatte, um heiße Bauteile dort zu platzieren, wo eine bequeme und effiziente Kühlung möglich ist, kann komplexe wärmetechnische Entwicklungsarbeit oder teure Änderungen des Leiterplatten-Layouts und eine verspätete Produkteinführung verhindern.

Wichtig ist es, sich früh mit den Thermal Designs zu beschäftigen oder sich vorab beim Hersteller zu informieren. Letztendlich kann das die Arbeit erheblich vereinfachen und beschleunigen.

(rao)