Gap-Filler für das Wärmemanagement

Die Vielzahl an Wärmemanagementmaterialien, die Entwicklern heute zur Verfügung stehen, spiegelt eine Veränderung in der Best-Design-Praxis wider. Die Luftkühlung elektronischer Bauelemente verschwindet zunehmend; dafür kommen immer mehr Kühlkörper und eine Verbindung heißer Bauteile mit wärmeabführenden Oberflächen wie Metallgehäusen oder Gehäusedeckeln zum Einsatz. Dieser Wandel entspricht auch der geforderten Miniaturisierung der Baugruppen. Eine höhere Bauteildichte verringert das Luftvolumen, das zur Kühlung zur Verfügung steht und hindert die Luft daran, zu zirkulieren. In Systemen, in denen traditionell ein Lüfter für eine erzwungene Luftkühlung zum Einsatz kommt, wird heute ein lüfterloses Design bevorzugt. Dadurch sinken die Kosten, der Stromverbrauch; das System wird kleiner und leiser. Ein Lüfter ist meist auch die am wenigsten zuverlässige Komponente in einem System.

Luft ist der Feind

Luft ist im unbewegten Zustand der Feind jedes Wärmemanagements. Mit seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit von 0,024 W/mK – im Vergleich zu Aluminium mit 250 W/mK – kann Luft in mikroskopisch kleinen Einschlüssen in der Wärmeschnittstelle zwischen Kühlkörper und Bauelement den Wärmetransport erheblich beeinträchtigen. Traditionell wurde hier eine Wärmeleitpaste oder ein Phase-Change-Material eingebracht, um Lufteinschlüsse zu beseitigen.

Bild 1: Fortschritte im Bereich polymerbasierter Bindemittel, die einen weiten Temperaturbereich abdecken, tragen entscheidend zur Entwicklung neuer Gap-Filler-Pads bei.Chomerics

Um modernen Wärmemanagement-Praktiken gerecht zu werden, sind heute verschiedene Produkte und Materialien erhältlich, die mehr Eigenschaften bieten, um Lufteinschlüsse während der Montage zu verhindern. Eine Herausforderung dabei ist das Auffüllen relativ großer Luftspalten in einem Gehäuse. Die Abmessungen können dabei 1 bis 5 mm betragen. Sind mehrere Bauteile mit einem gemeinsamen Kühlkörper verbunden, kann der Luftspalt von Bauteil zu Bauteil unterschiedlich groß sein. Durch Montagetoleranzen wird dies noch verstärkt. Der Gap-Filler muss dann diese Abweichungen auffangen, um vollen Kontakt zu jeder Oberfläche zu gewährleisten, ohne dabei hohe Kräfte auf das Bauteilgehäuse auszuüben (Bild 1).

Zwei gängige Wärmemanagementlösungen sind heute Gap-Filler-Pads und wärmeleitfähige Gele (Thermal Gel). Pads sind vorgeformt, komprimierbar und bestehen aus einem Silikon-Elastomer, das mit wärmeleitfähigen Partikeln angereichert ist. Ein Gel ist ein vulkanisierendes Silikonmaterial, das über eine Dosiervorrichtung aufgebracht wird. Gel eignet sich für Situationen, in denen der Abstand zwischen Bauteiloberfläche und benachbarter kalter Oberfläche variiert, zum Beispiel wenn mehrere Bauteile mit einem gemeinsamen Kühlkörper verbunden werden (Bild 2). Es kann auch als Alternative zu herkömmlichen Wärmeleitpasten oder Phase-Change-Materialien eingesetzt werden, da es nur eine geringe, konstante Kraft auf die Leiterplatte und deren Bauteile ausübt.

Bild 2: Wärmeleitfähige Gele werden über eine Dosiervorrichtung aufgebracht.Chomerics

Gap-Filling-Pads

Die Silikon-Elastomere weisen ein geringes Kompressionsmodul auf und passen sich an die Konturen der Kontaktflächen an, wenn sie leicht zusammengedrückt werden. Dies verhindert hohe Belastungen an Bauteilen und Lötpunkten. Die idealen Eigenschaften für ein Gap-Filler-Pad sind daher ein niedriges Kompressionsmodul sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Neuere Materialien wie Chomerics HCS10 erfüllen den Trend hin zu weicheren Materialzusammensetzungen, die sich für kleine Formfaktoren empfindlicher Elektronikbauteile besser eigenen (Bild 3).

Die Thermal Performance dieser Materialien kann sehr unterschiedlich sein: die Wärmeleitfähigkeit reicht von unter 1 W/mK bis über 6 W/mK. Die Leitfähigkeit wird durch die Menge und Art des wärmeleitfähigen Fillers bestimmt. Dies können Keramikpartikel oder metallische Zusammensetzungen wie Aluminiumoxid, Zinkoxid oder Bornitrid sein. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit geht meist mit einem höheren Kompressionsmodul einher. Zur Auswahl stehen auch verschiedene Kompressionsmodule. Das Pad-Material Therm-A-Gap HCS10 wird unter einem Druck von 50 psi um 73 Prozent verformt; während Therm-A-Gap 580 sich unter gleichem Druck nur um 30 Prozent verformt. Einige Gap-Filler lassen sich daher zur Vibrationsdämpfung und für das Wärmemanagement einsetzen.

Bild 3: Das Pad-Material Therm-A-Gap HCS10 von Chomerics.Chomerics

Gap-Filler-Pads stehen in verschiedenen Dicken zur Verfügung. Dabei ist zu beachten, dass die Wärmeleitfähigkeit des Pads viel niedriger ist als bei Metall. Das Pad ist also kein Allerheilmittel für ein schlechtes Thermal Design. Entwickler sollten sicherstellen, dass die zu füllenden Luftspalten so klein wie möglich sind, um so die dünnsten Gap Pads einsetzen zu können.

Wärmeleitfähige Pads können als komplette Bögen bestellt und auf Maß geschnitten werden. Auch kundenspezifische, gestanzte Pads auf einem Bogen oder Einzelteile sind lieferbar. Als Träger dient Aluminiumfolie oder Glasgewebe. Die Pad-Oberfläche ist etwas klebrig, um das Pad in Position zu halten und den Kontaktwiderstand zu minimieren. Ein druckempfindlicher Kleber kann vorher auf eine der Oberflächen aufgebracht werden, um eine dauerhafte Verbindung mit der Kühlfläche zu garantieren. Wenig ausgasende und silikonfreie Zusammensetzungen sind für silikonempfindliche Anwendungen erhältlich, zum Beispiel in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Optoelektronik und Festplatten-Laufwerke.

Wärmeleitfähige Gele

Ein Gel kann dagegen als Füllgut oder in Kartuschen beziehungsweise Spritzen geliefert werden. Es lässt sich unter normalen Bedingungen einlagern, eine Kühlung ist nicht erforderlich und Gel setzt sich auch nicht ab. Ein wärmeleitfähiges Gel hat verschiedene Vorteile. Die Bestellung und Lagerung von Gap-Fillern in verschiedenen Formen und Größen entfällt, und es besteht keine Gefahr, das falsche Pad auszuwählen oder dieses falsch anzubringen. Gele härten voll aus, sind formstabil und lassen sich in Fertigungsumgebungen einfach einsetzen. Mithilfe automatischer Dosieranlagen können sie innerhalb einer Fertigungslinie aufgebracht werden und sind bezüglich Form und Menge reproduzierbar. In einigen Fällen sorgt eine rund aufgebrachte Materialmenge für eine optimale Anpassung an die Oberfläche, während in anderen Fällen eine schlangen-, würfel- oder spiralförmig aufgebrachte Menge die Enden rechteckiger IC-Gehäuse wie QFN, LGA oder BGA ausfüllen. Eine einzelne Gel-Linie sorgt für die beste Befestigung eines herkömmlichen DIL-Gehäuses an einem Kühlkörper.

Auf dem Markt gibt es verschiedene wärmeleitfähige Gele, wie zum Beispiel Parker Chomerics GEL30, das sich sowohl für Gap-Filling-Anwendungen und auch als direkter Ersatz für Wärmeleitpasten anbietet. Im Vergleich zu einer Wärmeleitpaste trocknet ein Gel nicht aus und seine vernetzte Struktur sorgt für ein niedriges Modul.

GEL30 bietet eine Wärmeleitfähigkeit von 3,5 W/mK. Im Vergleich zu bestimmten Gap-Filler-Pads sorgen Gele für eine wesentlich geringere mechanische Belastung der Bauelemente. Dies ist wichtig, da neueste Designs schnelle und einfache Klickbefestigungen bieten, die geringere Schließkräfte erzielen als die zeitaufwändigen herkömmlichen Befestigungen wie Schrauben, die mehr Kraft erfordern, um das Schnittstellenmaterial zu komprimieren.

Auch Gele, die eine elektrische Isolation zwischen Bauteil und Kühlkörper bieten, sind erhältlich. Sie enthalten Glasperlen mit 0,25 mm Durchmesser, die als Komprimierungs- oder dielektrischer Stopp dienen. Solche Gele sorgen für einen Mindestabstand zwischen der Bauteiloberfläche und dem Kühlkörper, was die Vorteile der Gel-Eigenschaften mit sich bringt, wenn Leistungsbauteile zum Einsatz kommen, bei denen die thermische Verbindung gleichzeitig einen elektrischen Anschluss an das Die bietet.

(jj)