Herr der Luftspalte

Schon Newton hat es gewusst als er die Gesetzmäßigkeiten der Abkühlung von Körpern oder Stoffen beschrieb. Er kam zu dem Schluss, dass sich die Geschwindigkeit der Abkühlung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umgebung verhält. Wenn die Temperatur eines Bauelements nach einem Anstieg gleich bleibt, das Bauelement also seine Gleichgewichtstemperatur erreicht hat, entspricht die Geschwindigkeit der Abkühlung der Wärmemenge, die pro Sekunde in dem Bauelement erzeugt wird.

In der Praxis bedeutet dies, dass die Zuverlässigkeit und die Betriebslebensdauer erheblich eingeschränkt wird, wenn sich die durch Verlustleistung erzeugte Wärme nicht wirkungsvoll vom Bauelement und dem Gerät abführen lässt, da die Temperatur dann weiter steigt. Mehr noch: Es kann zum Ausfall des Bauelements und damit der gesamten elektronischen Baugruppe kommen. Das kann schwerwiegende Folgen in sicherheitsrelevanten Anwendungen haben oder aber auch nur zu Ärgernissen führen, wenn das Gerät seine Dienste versagt. Daher ist es unbedingt notwendig, Maßnahmen zum Wärmemanagement zu ergreifen. Die gleichen Überlegungen lassen sich auf komplette Wärmekreisläufe oder Geräte anwenden, die wärmeerzeugende Einzelkomponenten enthalten.

Abkühlungsmethoden abwägen

Die Abkühlungsgeschwindigkeit wird bei einem künstlich erzeugten Luftzug höher sein als bei stehender Luft. Eine Möglichkeit zur Temperaturregelung eines Bauteils bzw. eines Geräts besteht in der Integration eines oder mehrerer Lüfter, um die Luftströmung zu erhöhen. Logischerweise verringert sich die Betriebstemperatur bei einer „offenen“ Lüftung schneller, als wenn sich der Wärmekreislauf in einem geschlossenen Raum ohne Lüftungsschlitze nach außen hin befindet. Für Luft- und Raumfahrtanwendungen kommt ein weiterer Aspekt hinzu: Der niedrigere Luftdruck verschlechtert die Wärmeübertragung an die Umgebung. Die Folge: Das Gerät ist höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt.

Die Wärmeabgabe eines Bauteils an seine Umgebung erfolgt von der Oberfläche des Bauteils aus. Demzufolge steigt die Abkühlungsgeschwindigkeit mit der Oberflächengröße des Bauelements – ein kleines Bauteil, das 10 W produziert, wird eine höhere Temperatur erreichen, als ein ähnliches Bauteil mit einer größeren Oberfläche. Hier kommen Kühlkörper zum Einsatz. Variierend in Größe und Form, sind sie so konstruiert, dass sie eine deutlich größere Oberfläche bieten, um so eine maximale Wärmeableitung zu erreichen. Das Bauteil und der Kühlkörper sind in der Regel feste Substrate, die mechanisch miteinander verschraubt sind. Idealerweise sollten die Flächen dieser Substrate vollkommen glatt sein, was jedoch für gewöhnlich nicht umsetzbar ist. Infolgedessen entsteht am Übergang zwischen Bauteil und Kühlkörper ein Luftspalt, der die Effizienz der Wärmeabfuhr erheblich beschränkt.

((ZÜ)) Luftspalte geschickt abdichten

Um die Luftspalte aus der Schnittstelle zwischen Bauteil und Kühlkörper zu eliminieren, kommen Wärmeleitpasten zum Einsatz. Solche Pasten sollen den Spalt zwischen beiden verfüllen und auf diese Weise den Wärmedurchgangswiderstand an der Grenzfläche zwischen den gegenüberstehenden Flächen verringern. Dies führt zu einer schnelleren Wärmeabgabe an den Kühlkörper und zu einer niedrigeren Betriebstemperatur des Geräts. Es sind aushärtende und nicht aushärtende Produkte erhältlich. Aushärtende Pasten werden oft auch als Wärmeleitkleber verwendet. Beispiele hierfür sind RTVs auf Silikonbasis oder Epoxidmassen. Die Auswahl hängt dabei oft von der erforderlichen Klebkraft und dem Betriebstemperaturbereich ab.

Wärmeleitmaterialien gibt es in Form von Pasten, haftenden Materialien respektive Klebern oder thermisch leitenden Pads. Nicht aushärtende Pasten sind für Anwendungen geeignet, bei denen eine Nachbearbeitung erforderlich sein kann. Sie verwenden unterschiedliche Grundöle, um so eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften einzustellen, wie etwa den weiten Betriebstemperaturbereich, den Produkte auf Silikonbasis bieten. Jüngste Fortschritte in silikonfreien Technologien umfassen die Einführung von Produkten mit erheblich niedrigerem Gewichtsverlust durch Ölbluten oder durch Verdampfung bei gleichzeitiger Verbesserung der Wärmeleiteigenschaften. Ein solches Produkt ist beispielsweise HTCX von Electrolube. Es verwendet firmeneigene Zusatzstoffe, um die interne Bindung der thermisch leitfähigen Partikel in der Paste deutlich zu verbessern und so insgesamt zu einer Leistungsverbesserung zu führen.

Überdies könnten thermisch leitfähige Kleber, die zu einer festen Form aushärten, dort Verwendung finden, wo ein mehr oder weniger hoher Grad der Haftung erforderlich ist. Materialien mit hoher Verbundfertigkeit beinhalten solche auf Basis der Epoxid-Chemie. Die neutral aushärtenden RTV-Produkte TCOR und TCER auf Silikonbasis von Electrolube sind ein weiteres Beispiel für thermisch leitfähige, aushärtende Massen. Der RTV-Kleber TCOR gibt bei der Aushärtung Oxime ab und weist dabei die höhere Verbundfestigkeit der RTVs auf. TCER gibt bei der Aushärtung hingegen Ethanol ab.

Wärmeleitpasten richtig auftragen

Bei thermisch leitfähigem Material ist es äußerst wichtig, die Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper vollständig auszufüllen und sämtliche Luft vollständig zu verdrängen. Dies erfolgt in der Regel durch das Auftragen einer Schicht des Verbundstoffes in der Mitte der Kontaktfläche des Geräts bzw. des Wärmeableiters, die anschließend zusammengebracht werden, wobei sämtliches überschüssiges Material verdrängt wird. Das Ausschließen der gesamten Luft aus der Verbindungsstelle führt zu einem geringeren thermischen Widerstand und einer niedrigeren Betriebstemperatur des Geräts.

Die thermisch leitfähige Wärmeleitpaste weist eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Wärmeableiters auf. Die aufgetragene Schicht an der Schnittstelle muss also so dünn wie möglich sein, um den thermischen Widerstand so gering wie möglich zu halten und die Betriebstemperatur zu senken. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass durch eine zu geringe Schichtdicke keine Luftspalte in dem Film entstehen.

Die Mindestschichtdicke lässt sich bestimmen, indem sehr kleine feste Glasperlen (Ballotini) eines kontrollierten Durchmessers in die Paste oder das Kunstharz gegeben werden. Dadurch wird die Spaltdicke durch den Durchmesser bestimmt. Das Material TBS von Electrolube nutzt diese Technologie, um einen korrekten Auftrag der Schicht zu ermöglichen.

Schützende und kühlende Gießharze

Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Wärmeabgabe von Geräten besteht in der Verwendung von wärmeleitfähigem Gießharz. Diese Produkte schützen das Gerät vor Umwelteinflüssen, während sie gleichzeitig die im Gerät erzeugte Wärme an die Umgebung flink ableiten. Möglich wird dies, durch die in Gießharzen enthaltenen wärmeleitfähigen Füllstoffe. Dadurch lassen sich Basisharze, Härter und andere Zusatzstoffe modifizieren, um eine Vielzahl von Produkteigenschaften zu realisieren.

Beispielsweise bieten auf Epoxidharz basierende Systeme ein hohes Maß an Schutz in rauen Umgebungsbedingungen und härten zu einem harten, starren Produkt aus. Ein wärmeleitfähiges Epoxidharz verfügt typischerweise über eine Shore-Härte von etwa D80. Insbesondere das neuartige Epoxidharz ER2220 von Electrolube weist diese Eigenschaften auf: Es bietet einen verbesserten spezifischen Wärmeleitfähigkeitswert von 1,54 W/mK, ohne dabei die Viskosität zu erhöhen.

Systeme auf Polyurethan-Basis bieten ebenso einen ausgezeichneten Schutz in vielen schwierigen Bedingungen. Sie kombinieren dies jedoch mit der Flexibilität von Polyurethan. Dadurch lassen sich die Shore-Härtewerte entsprechend anpassen, um den erforderlichen Anwendungseigenschaften zu entsprechen. Typischerweise verfügt ein wärmeleitfähiges Polyurethan über eine Shore-Härte von etwa A85 und bewegt sich damit im weicheren Bereich auf der Shore-Härteskala.

Schließlich stehen auch Systeme auf Silikonbasis zur Verfügung. Sie kombinieren die Flexibilität von Polyurethan mit den Hochtemperatureigenschaften eines Silikonmaterials, wodurch sie für die Verwendung in Anwendungen geeignet sind, bei denen die Betriebstemperaturen 130 °C übersteigen können.

Für jede Anwendung das Passende

Zweifelsohne wird das Wärmemanagement in elektronischen Baugruppen immer wichtiger. Immer mehr Bauteile und Komponenten benötigen eine effiziente Kühlung um zuverlässig zu funktionieren. Aufgrund der wachsenden Zahl von Anwendungen, für die Wärmemanagement-Produkte benötigt werden, entwickelt der Hersteller von Hochleistungschemikalien weiterhin Lösungen für unterschiedliche Branchen wie etwa den boomenden LED-Markt.

Produkte zum Wärmemanagement bieten zudem Lösungen für eine erhöhte Effizienz in der Entwicklung grüner Energie, allen voran die Photovoltaik-Wechselrichter. Sie sind bekanntermaßen besonders temperaturempfindlich. Weitere Anwendungsfelder sind Verbindungen zwischen dem Wärmerohr und dem Wasserspeichertank für Solar-Heizungsanlagen, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Windkraftanlagen. Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung von Produkten führt – gepaart mit der wachsenden Zahl modernerer und leistungsstärkerer Geräte – dazu, dass ein effizientes Wärmemanagement einen wesentlichen Bestandteil des modernen und zukünftigen Elektronikdesigns bildet.

(mrc)