Aufbau einer Leiterplatte

Aufbau einer Leiterplatte (Bild: Preeflow)

Das Wärmemanagement ist ein wichtiger Aspekt für die sichere und effiziente Funktion von mechanischen und elektrischen Geräten, auch wenn dies von außen häufig nicht sichtbar ist. Getrieben von den Trends Elektrifizierung, Digitalisierung und Miniaturisierung gewinnt dieser Prozess zunehmend an Bedeutung. Von Wearables über Elektrofahrzeuge bis hin zu Equipment für die Bereitstellung flächendeckender Mobilfunk- und Internetinfrastruktur – überall muss die Wärmeentwicklung und -ableitung beachtet und reguliert werden. In der Produktion dieser Produkte ist daher auf eine prozesssichere Auslegung des wärmeleitenden Materials sowie des dafür benötigten Equipments zu achten, um eine langfristig sichere Funktion zu gewährleisten. Das gilt sowohl für die Fertigung als auch für die Nutzung der Produkte danach.

Vergleich mit und ohne Wärmeleitpaste
Vergleich mit und ohne Wärmeleitpaste (Bild: Viscotec)

Charakterisierung von Wärmeleitmaterialien

Ein Bestandteil von Wärmemanagement-Designs ist häufig ein flüssig zu applizierendes, thermisch leitfähiges Material, wie beispielsweise eine Paste oder ein Klebstoff. Für die Bezeichnung dieser Art von Materialien hat sich der englische Begriff „Thermal Interface Materials“ (kurz: TIM) etabliert. Deren Aufgabe ist es, zwei oder mehrere Bauteile miteinander thermisch zu koppeln, um entstehende Wärme abzuführen. Die Kopplung auf diese Art kann durch fertigungsbedingte Toleranzen, konstruktionsbedingt oder auf Grund einer Kombination daraus notwendig sein. Um die Wärmeleitfähigkeit (W/m*K) gewährleisten zu können, sind die genannten ein- oder zweikomponentigen Pasten bzw. Klebstoffe teils zu einem großen Anteil mit Füllstoffen beladen. Diese können keramischer oder metallischer Natur sein. Abhängig vom verwendeten Füllmaterial, der gewünschten Leitfähigkeit und den kostentechnischen Rahmenbedingungen können diese Füllstoffe unterschiedlich groß und unterschiedlich geformt sein. In der Applikation zeigt sich häufig ein abrasives Verhalten, was wiederum zu einem vergleichsweise schnellen Verschleiß des verwendeten Dosierequipments führen kann. Dieser Umstand kann zu einem instabilen Prozess führen, wenn das Setup (Material, Dosieranlage und Prozessparameter) nicht richtig aufeinander abgestimmt ist. Die Folge daraus können Produktionsunterbrechungen und ein gesteigerter Ersatzteil- und Wartungsaufwand sein. Und das würde sich auf die Stückkosten niederschlagen.

Keramikrotor
Keramikrotor (Bild: Viscotec)

TIM prozesssicher applizieren

Aufgrund der kontinuierlich wachsenden Bedeutung des Wärmemanagements sowie der steigenden Nachfrage nach TIMs werden aktuell verschiedenste Ansätze verfolgt, um die Handhabung derartiger Pasten oder Klebstoffe weiter zu verbessern. Eine Möglichkeit ist die Verarbeitung dieser Materialien mittels Exzenterschnecken-Technologie. Preeflow bietet flexible Dosiersysteme für verschiedenste Anwendungen. Je nach Dosiermenge müssen verschiedene Komponenten gewählt werden. Zur Auswahl stehen: Diamond Coated (DC) Rotoren und Vislas Statoren. Dabei wird das zu dosierende Material mittels eines sich drehenden Rotors und eines fixierten Stators rein volumetrisch und kontinuierlich gefördert. Dieses Verfahren zeichnet sich insbesondere durch seine scherarme und dadurch materialschonende Funktionsweise aus, bei gleichzeitig hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit. Speziell in Design und Materialauswahl der Rotor-Stator-Kombination ergeben sich mehrere Ansatzpunkte, um das Dosiersystem optimal auf Applikation und TIM abzustimmen. Beim Rotor besteht die Möglichkeit, diesen vollständig aus Keramik zu fertigen oder mit einer speziellen Multilayer-Beschichtung zu versehen, um die Standzeit signifikant zu erhöhen. Im Bereich des Stators ergeben sich durch speziell auf abrasive Materialen abgestimmte Elastomere zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten. In Kombination mit entsprechenden Prozessparametern lässt sich die Performance und Lebensdauer des Systems gegenüber einem nicht optimalen Setup um ein Vielfaches erhöhen.

Beschichteter DC Rotor
Beschichteter DC Rotor (Bild: Viscotec)

Herausforderungen bei der Dosierung von Wärmeleitpasten

Das Ziel bei der Auftragung der hochviskosen, abrasiven Pasten lautet: Einen stabilen, wiederholbaren Prozess mit langer Lebensdauer des Dosiersystems zu erreichen. Die größten Herausforderungen dabei sind:

  • Lufteinschlüsse vermeiden: Luft ist ein vergleichsweise schlecht leitendes Material. Deshalb müssen Hohlräume zwischen kleinen Bauteilen in der Elektronikfertigung luftfrei verklebt und Lücken gefüllt werden. Preeflow ermöglicht einen luftblasenfreien Auftrag von Fluiden und Pasten.
  • Hochviskose Materialien verarbeiten: Die Lösung lautet: Den Dosierdruck so gering wie möglich zu halten – auch im Hinblick auf die Sedimentation. Das wird erreicht, indem der größtmögliche Dispenser verwendet wird. Denn je größer der Dispenser, umso langsamer kann man fahren (20 % bis 40 % des maximal möglichen Volumenstroms) und damit den Dosierdruck reduzieren.
  • Materialien mit abrasiven Füllstoffen dosieren (Konstitution, Verteilung, Sedimentation): Füllstoffe unterscheiden sich in ihrer Art und Form und verteilen sich unterschiedlich im Trägermedium. Dies macht sie zu einem besonders kritischen und unberechenbaren Faktor im Dosierprozess. Dank den Eigenschaften des Viscotec Endloskolben-Prinzips und passenden Dosierkomponenten eignen sich Preeflow Mikrodispenser sehr gut für das Handling hochgefüllter Materialien.
Dosierung eines TIM mit einem preeflow Mikrodispenser
Dosierung eines TIM mit einem Preeflow Mikrodispenser (Bild: Viscotec)

Trends bei thermisch leitfähige Materialien

Genau wie in der Entwicklung des Equipments zur Verarbeitung und Applikation von TIMs werden auch die Materialien selbst kontinuierlich weiterentwickelt. Damit reagieren die Hersteller auf aktuelle und kommende Bedürfnisse am Markt. Treibende Faktoren sind die Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit sowie schnellere Prozessgeschwindigkeiten. Durch die fortwährende Anpassung der Füllmaterialien kann diesen Anforderungen Rechnung getragen werden. Wie auch in zahlreichen anderen Bereichen liegt hier großes Potenzial in der Verwendung von Kunststoffnanoröhren (Englisch: Carbon Nanotube, kurz: CNT). Sie zeichnen sich durch eine sehr gute thermische sowie elektrische Leitfähigkeit aus. Noch weiter verstärkt werden diese Eigenschaften, wenn CNTs nicht zufällig angeordnet sind, sondern eng gepackt mit ihrer Längsachse senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet sind. Der englische Begriff „Vertically Aligned Carbon Nanotube Array“ (kurz: VANTA) hat sich hier etabliert. Eine Ausrichtung ist z.B. durch das Anlegen eines externen (elektrischen) Feldes. Zahlreiche Ansätze dazu sind aktuell Gegenstand der Forschung weltweit. Ob, inwiefern und wann CNTs ggf. in Form von Vantas ihren Durchbruch im Bereich der TIMs erleben, bleibt abzuwarten. Sofern auf diesen Materialien basierende flüssige TIMs existieren gilt es zu prüfen, welche speziellen Anforderungen diese an den Produktionsprozess stellen.

Exzenterschnecken Dosierpumpe
ViscoTec Exzenterschnecken Dosierpumpe in der Anwendung Wärmemanagement (Bild: Viscotec)

Die Autorin

Petra Gottwald
(Bild: Hüthig)

Petra Gottwald, Chefredakteurin Productronic, nach Unterlagen von Viscotec.

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ViscoTec Pumpen- und Dosiertechnik GmbH

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