Der Markt verlangt immer mehr Leistung in immer kleineren Elektronikbaugruppen. Klar, dass dabei auch das Wärmemanagement Schritt halten muss. Neue Materialien, Produkte und Techniken gewährleisten eine verbesserte Wärmeabfuhr im hohen Leistungsbereich, zum Beispiel bei Prozessoren, Spannungswandlern und Leistungshalbleitern. Dies ist vor allem in Anwendungen wie der Automobilelektronik, Telekommunikationsinfrastruktur und bei Vorschaltgeräten für Beleuchtungen bedeutend: deren Zuverlässigkeit hängt direkt von der Betriebstemperatur ab.
Bild 1: Gap-Pads aus Silikon-Elastomer schließen Luftlücken, um ein optimales Wärmemanagement zu gewährleisten.Bergquist
Derzeit ist der Einsatz von Pads mit hoher Wärmeleitfähigkeit am sinnvollsten. Die Pads füllen die Luftlücken zwischen den Bauteilen, Boards und wärmeableitenden Oberflächen wie Kühlkörpern oder Gehäusen (Bild 1). Sie gewährleisten, dass sich eine möglichst dünne Schicht von Wärmeleitmaterial zwischen Bauteil und Kühlkörper befindet. Weiche, formstabile Pads haben in vielen Anwendungen die Wärmeleitpasten erfolgreich ersetzt.
Üblicherweise handelt es sich dabei um keramikgefüllte Silikonelastomere, die einfach zu handhaben sind. Sie werden als vorgeformte Pads oder Platten (Sheets) angeboten, passen sich gut an die Form und Oberfläche des Kühlkörpers oder der elektronischen Bauteile an und bieten eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft. In Anwendungen, in denen elektrische Lichtbögen oder Überschläge auftreten können, besteht das Risiko, dass sich Silikone in isolierendes Silikat umwandeln und dabei den korrekten Betrieb des Systems beeinträchtigen. Daher werden auch silikonfreie Thermal-Gap-Filler entwickelt.
Keine Hitzköpfe
Mit dispensierbaren Form-in-Place-Gap-Filler gelingt die Wärmeabfuhr auch in Baugruppen, die sehr kleine und kompliziert geformte Luftspalte aufweisen. Das Material härtet erst nach dem Aufbringen und passt sich daher perfekt der Form an. Da es zudem die Bauteile nicht belastet, eignet es sich auch für empfindliche SMD- und BGA-Chips. Nebenbei stabilisiert es die Baugruppe und weist eine natürliche Haftung auf.
Begrenzte Temperaturbereiche
Silikon-basierte Gap-Filler eignen sich grundsätzlich für einen Dauereinsatz zwischen -60 und +200 °C. Dennoch sollte man die Leistungsfähigkeit und das Verhalten des Materials am unteren und oberen Ende des Temperaturspektrums überprüfen, um die Tauglichkeit für den jeweiligen Einsatzzweck zu testen. Gap-Filler-Pads haben sich gut bewährt dank hoher Leistungsfähigkeit im Feld und guter Kompatibilität zu Fertigungsprozessen. Im Vergleich zu Wärmeleitpasten eignen sie sich besser für moderne, schnelle Montageabläufe: sie lassen sich automatisch aufbringen, sind generell besser kontrollierbar und lassen sich – im Gegensatz zu Wärmeleitpasten – sogar erneut platzieren.
Bergquist bietet Gap-Pads in mehreren Wärmeleitfähigkeitsstufen und Dicken an. Die Pads verfügen über ein- oder beidseitige Selbstklebefunktion oder natürliche Haftung, um die Montage zu vereinfachen und das Material im Betrieb in Position zu halten.
Form-in-Place-Wärmeleitmaterialien
Bild 2: Dispensierbare Gap-Filler lassen sich genau platzieren, um sehr dünne Klebefugen in stark miniaturisierten Baugruppen zu erhalten.Bergquist
Baugruppen wie elektronische Steuerungseinheiten und Mechatronik-Module werden immer kleiner. Damit verringern sich auch die Luftlücken und die Hohlräume sind immer komplizierter geformt. Da gleichzeitig die Leistungsdichte steigt, müssen Entwickler für eine bessere Wärmeableitung sorgen. Dazu brauchen sie immer dünnere Klebefugen und noch mehr Präzision bei der Größe, Form und Platzierung der Gap-Filler (Bild 2).
Da sie eine äußerst dünne Klebefuge ermöglichen, bieten dispensierbare Wärmeleitmaterialien eine bessere Wärmeabfuhr und erhöhen damit die Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen. Form-in-Place-Materialien passen sich hervorragend an raue Oberflächen an und beseitigen viele kleine Lufteinschlüsse, die sonst die Wärmeabfuhr verschlechtern.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Material während der Montage nahezu keine Belastung auf die Bauteile ausübt und sich somit als Schnittstellenmaterial für empfindlichste und kleinste Bauteile eignet, etwa für passive SMD-Komponenten und BGA-Chips. Dies kann von entscheidender Bedeutung sein, da Hersteller von BGA-Bausteinen oft einen maximalen Druck pro Pin spezifizieren, der überschritten würde, wenn beispielsweise ein Gehäusedeckel mit einem Thermal-Pad auf dem Bauteil aufgesetzt wird.
Wichtige Einblicke
Bild 3: Form-in-Place-Filler sind flexibel genug, um hochoptimierte Wärmemanagementlösungen zu entwickeln.Bergquist
Form-in-Place-Filler können mit hoher Geschwindigkeit gespendet werden und effizient an entsprechenden Oberflächen aushärten, sobald die Bauteile montiert sind. Die optimale Menge und Form dieser Form-in-Place-Materialien lässt sich durch Experimentieren mit Testbauteilen aus Glas feststellen. Damit ist eine klare Sicht auf die Oberflächenbenetzung und Dicke der Klebefuge möglich. So lassen sich feine Füllmaterialformen entwickeln und in der Fertigung mit speziellen automatischen Dosieranlagen aufbringen (Bild 3).
Die Vorteile von Form-in-Place Fillern – vor allem deren Genauigkeit, Anpassbarkeit und die Möglichkeit, eine äußert dünne Klebelinie zu erzielen – übertreffen andere Ansätze, selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit des Materials (laut Datenblatt) geringer ist. Hinzu kommt, dass sich bei Designänderungen der Form-in-Place-Filler schnell anpassen lässt. Es genügt, die Form und die Menge des aufgetragenen Materials zu verändern, zum Beispiel durch Umprogrammieren der Dispensieranlage.
Leistungsfähige Gap-Filler für Fertigungsprozesse
Bergquist hat eine Reihe nicht korrosiver, temperaturstabiler, wärmeleitfähiger Gap-Filler-Materialien entwickelt. Darunter befinden sich Zweikomponenten-Materialien, die während des Auftragens im Verhältnis 1:1 gemischt werden. Dies erfolgt über eine entsprechend geformte, statische Mischdüse. Die Aushärtung beginnt, sobald beide Komponenten miteinander vermischt werden und endet erst, nachdem das Material gespendet wurde. Sobald das Material vollständig ausgehärtet ist, wird es zu einem flexiblen und weichen Elastomer, das auch dazu beiträgt, Belastungen durch die Wärmeausdehnung bei thermischen Zyklen zu minimieren.
Berquists spendbare Gap-Filler sind in verschiedenem Maße thixotrop und behalten deshalb nach dem Auftragen ihre Form. Die Ruheviskosität ist relativ hoch, und eine Kraft von außen muss aufgewendet werden, um das Material sowie die benachbarten Oberflächen zu benetzen. Bei einer Scherkraft, wie sie während der Dosierung auftritt, nimmt die Viskosität ab, was ein erneutes Aufbringen bei hohen Durchsatzraten ermöglicht. Die scheinbare Viskosität hängt von der Scherkraft ab. Anwender sollten dies bedenken, wenn sie verschiedene Materialien testen und vergleichen. Nach dem Aufbringen gewinnt das Material seine Viskosität zurück, um in seiner Position zu verweilen und die Form zu wahren.
Ein weiterer wichtiger Parameter beim Einsatz von Form-in-Place-Fillern ist die Beständigkeit, die ein Maß für den inneren Zusammenhalt (Konsistenz) und die Fähigkeit, auf der Zieloberfläche haften zu bleiben, darstellt. Bergquists Gap-Filler decken ein breites Spektrum rheologischer Eigenschaften ab – von selbstnivellierend bis hoch thixotrop, wobei die Form genauso verbleibt, wie sie aufgetragen wird.
Zeitablauf beim Aushärten
Zweikomponenten-Gap-Filler beginnen auszuhärten, sobald die beiden Komponenten miteinander vermischt werden. Die Topfzeit (Verarbeitungszeit) ist die Zeit, in der sich die Viskosität nach dem Vermischen verdoppelt. Diese hängt sehr stark von der Temperatur ab und nimmt oberhalb der Raumtemperatur (>25 °C) schnell ab. Umgekehrt trägt eine kühlere Umgebung zu einer längeren Verarbeitungszeit bei.
Die Aushärtezeit eines Zweikomponenten-Materials wird als die Zeit definiert, in der 90 % Aushärtung nach dem Vermischen erreicht ist. Durch eine höhere Umgebungstemperatur lässt sich der Vorgang beschleunigen. Zweikomponenten-Gap-Filler härten bei Raumtemperatur (25 °C) aus, bei höheren Temperaturen entsprechend schneller. Bergquist bietet Materialien mit verschiedenen Verarbeitungs-, Aushärte- und Haltbarkeitszeiten unter bestimmten Lagerungsbedingungen – jeweils ausgewiesen im Produktdatenblatt.
Obwohl Gap-Filler nicht als strukturelle Klebstoffe ausgelegt sind, bieten sie nach dem Aushärten eine nennenswerte natürliche Haftung. Dies erlaubt eine leichte Haftfunktion zwischen benachbarten Bauteilen, wobei das Material an Ort und Stelle bleibt und ein Ausdringen bei wiederholten Temperaturzyklen verhindert wird. Da die Haftung von der Sauberkeit der Oberfläche, der Geometrie und Textur abhängt, empfiehlt es sich, alle Oberflächen gründlich zu reinigen und mit Lösungsmittel zu entfetten. Vor dem Auftragen des Materials sollten die Oberflächen zudem vollständig trocken sein.
Integration in automatisierte Fertigungslinien
Dosierwerkzeuge und elektrostatische Mischeinrichtungen sind kostengünstige Möglichkeiten, um eine Dosierung bei Mustern und geringen Stückzahlen vorzunehmen. Bergquist bietet manuell bedienbare Spritzpistolen für 50-, 200- und 400-ccm-Kartuschen, sowie pneumatisch betriebene Spritzpistolen für 200- und 400-ccm-Kartuschen.
Bild 4: Automatisches Dosieren und Auftragen garantiert Kontrolle, Wiederholbarkeit und hohen Durchsatz für schnelle Fertigungslinien.Bergquist
Manuelle Spendeeinrichtungen wie handgesteuerte oder pneumatische Dosierpistolen sind eine effiziente Lösung für Prototypen und geringe Stückzahlen. Die Wiederholbarkeit und der Durchsatz verbessern sich jedoch mit automatischen Spendesystemen erheblich (siehe Bild 4). Für diese Anwendungen stehen Gap-Filler-Materialien in großen Containern mit bis zu 10 Gallonen Inhalt (37,8 Liter) zur Verfügung. Sie sind so entworfen, dass ein schnelles und einfaches Be- und Entladen garantiert ist. Abschirmen und Schablonieren ist mit einigen Materialien ebenfalls möglich, wobei darauf zu achten ist, dass Öffnungen nicht mit gehärtetem Material blockiert werden.
Um die Einführung dieser neuen Generation von Form-in-Place-Materialien in schnellen, automatischen SMD-Fertigungslinien zu beschleunigen, arbeitet Bergquist mit erfahrenden Anbietern automatisierter Dosiersysteme zusammen: Verglichen mit dem Aufbringen herkömmlicher Klebstoffe, verlangen Wärmeleitmaterialien verschleißfeste Pumpenbestandteile und einen anderen Ansatz bei der Regelung der Abgabemenge des aufgetragenen Materials. Das entsprechende Anwendungs- und Prozess-Know-how wird weiter zunehmen. Mit der kommenden Generation optimierter automatischer Dispensiersysteme können Elektronik-Fertigungsdienstleister die neuen Form-in-Place-Filler dann auch sicher einsetzen.
Früh dabei
Entwickler sollten nicht warten, bis sich dispensierbare Form-in-Place-Gap-Filler auf breiter Front durchgesetzt haben: Bei neuen Designs können sie schon damit rechnen, dass der Einsatz dieses Wärmeleitmaterials kompaktere Baugruppen ermöglicht.
Uwe Jessen
(lei)
