5 Tipps zur Auswahl und Anwendung von wärmeleitenden Materialien

Die Auswahl des richtigen TIM-Typs (Thermal Interface Materials) für eine elektronische Komponente und der vorhergesagten Betriebsbedingungen ist alles andere als einfach. Nach der Auswahl ist es wichtig sicherzustellen, dass das TIM über die erwartete Lebensdauer des Produkts weiterhin zufriedenstellend funktioniert. Um dies zu ermitteln, muss die Leistung des Geräts oder der thermische Widerstand zwischen Gerät und Kühlkörper nach beschleunigter Alterung oder mit Umgebungstests, die reale Bedingungen simulieren, erneut gemessen werden. Nur so können Sie sicher sein, dass die gewählte TIM wirklich geeignet ist.

Die 5 Tipps für ein erfolgreiches Thermomanagement

Wenn ein Produkt mit Wärmeleitpaste vor der Verwendung nicht getestet wird, kann die endgültige Leistung Ihres Produkts stark von Ihren Erwartungen abweichen. Folgende Punkte sind für ein erfolgreiches Thermomanagement unerlässlich:

1. Berücksichtigen Sie alle einflussreichen äußeren Bedingungen – Temperatur, Vibration usw.
2. Bestimmen Sie den idealen Produktionsprozess für die produzierten Mengen.
3. Schauen Sie sich das PCB-Design kritisch an – achten Sie bei TIM-Anwendungen darauf, dass die Schnittstellenlücke nicht zu groß ist.
4. Berücksichtigen Sie die auf der Leiterplatte vorhandenen Materialien; sind empfindliche Materialien vorhanden? Hohe CTE-Werte (Coefficient of Thermal Expansion)?
5. Testen, testen, testen! Wählen Sie die am besten geeigneten Produkte entsprechend der erforderlichen Wärmeübertragung und berücksichtigen Sie die oben genannten Punkte. Testen Sie immer unter Endgebrauchsbedingungen oder simulieren Sie diese so genau wie möglich!

Doch werfen wir einen genaueren Blick, auf die einzelnen Tipps und entdecken, was dahinter steck.

Auftragsverfahren beim Wärmemanagement in der Praxis testen

Bei der Auswahl eines Produkts für das Wärmemanagement sollte immer die Aufbringungsmethode in der Produktionsumgebung berücksichtigt werden, da die Dicke und Gleichmäßigkeit eines Wärmegrenzflächenmaterials einen erheblichen Einfluss auf die Wirksamkeit seiner Wärmeleitfähigkeit haben kann. Ein unter Anwendungsbedingungen im Labor getestetes Produkt könnte sich daher nicht wie ein in der Produktion eingesetztes Material verhalten. Aus diesem Grund ist die auf dem Papier am besten geeignete Wahl möglicherweise nicht die beste Wahl, wenn man berücksichtigt, ob sie manuell oder vollautomatisch aufgetragen wird.

Wärmewiderstand zwischen Bauteil und Kühlkörper mit und ohne TIM überprüfen

Der Wärmewiderstand hängt nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit der Masse ab, sondern berücksichtigt auch die Leistungsfähigkeit des Produkts unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen, indem er auch die Schichtdicke und den Übergangswiderstand an den beiden Grenzflächen berücksichtigt. Die gängigste Methode zur Bewertung der Leistung eines wärmeleitenden Produkts besteht darin, den Wärmewiderstand zwischen Bauteil und Kühlkörper mit und ohne TIM zu überprüfen. Eine andere häufig verwendete Methode ist die Messung der Betriebstemperatur des Geräts oder Teils mit und ohne das angewendete TIM.

Den Einfluss der Viskosität des Wärmemanagementmaterials beachten

Die Anfangsviskosität eines Wärmemanagementmaterials kann die Aufbringungsmethode beeinflussen. Beim Siebdruck beispielsweise steuert die Maschenweite die Dicke der aufgetragenen Paste. Wenn die Paste zu viskos ist, verteilt sie sich nicht richtig auf dem Sieb und die gewünschte Dicke wird möglicherweise nicht erreicht. Ebenso kann sich das Produkt bei Dosieranwendungen bei zu geringer Viskosität zu gut verteilen und in unerwünschte Bereiche fließen.

Während des Gebrauchs zeigt die Art und Weise, wie ein Material auf Scherkräfte reagiert, wie sich das Produkt unter wechselnden Temperaturbedingungen verhält, wie z.B. der sogenannte Pump-Out-Effekt. Die Viskosität nimmt mit zunehmenden Scherkräften ab. Der Schereffekt kann zwischen zwei Oberflächen auftreten, die sich bei Temperaturänderungen aufgrund eines großen Unterschieds im Ausdehnungskoeffizienten verschieden ausdehnen und zusammenziehen. Der sogenannte CTE-Mismatch kann diesen Pump-Out-Effekt verstärken.

Vibrationen bei der Wahl der Wärmeleitmaterialie beachten

Vibrationen können bei bestimmten Anwendungen ein großes Problem darstellen. Vibrationen bewirken, genau wie der Pump-Out-Effekt, eine physikalische Veränderung und somit kann es zu einer Positionsänderung des TIM kommen. Dies gilt insbesondere in Situationen, in denen es nicht vollständig umschlossen ist und aufgrund von Lufteinschlüssen im Laufe der Zeit zu einer verringerten Wärmeübertragungseffizienz führen kann. Bei Anwendungen zum Füllen von Lücken können die Auswirkungen von Vibrationen viel größer sein, insbesondere wenn das Produkt eine nicht aushärtende Paste oder Mischung ist. Wenn Vibrationstests für die Leiterplatte erforderlich sind, sollten diese Tests mit dem ausgewählten TIM wiederholt werden, um sicherzustellen, dass während der erwarteten Lebensdauer des Geräts keine signifikanten Änderungen beobachtet werden.