Auf dem Markt sind verschiedene Entwärmungstechnologien und -anwendungen vorhanden, um elektronische Systeme oder einzelne elektronische Bauteile vor dem Hitzetod zu schützen. Zur Vermeidung von Fehlfunktionen oder gar einer Zerstörung der Bauteile ist es wichtig, die elektronischen Komponenten in einem vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich zu betreiben. Die thermische Anbindung der Bauteile auf der Wärmesenke, zum Beispiel einem Kühlkörper, hat hierauf einen maßgeblichen Einfluss. Es ist möglich, das verwendete Entwärmungssystem mithilfe einfacher Formeln überschlagsmäßig grob anzulegen. Allerdings ist es empfehlenswert, die einzelnen Wärmeübergangswiderstände entlang des sogenannten thermischen Pfades ebenfalls detailliert zu betrachten. Der thermische Pfad beschreibt hierbei den Weg der Wärme vom Entstehungspunkt bis zur Wärmesenke der ausgewählten Entwärmungstechnologie. Wärmeübergangswiderstände der ablaufenden Prozesse im eigentlichen Halbleiter sind oftmals in den dazugehörigen Bauteildatenblättern zu finden.

Als Indiz für die Qualität der Wärmeübertragung innerhalb des Bauteils dient der Wärmewiderstand in der Einheit Kelvin pro Watt (K/W). Der thermische Gesamtwiderstand eines Entwärmungssystems setzt sich aus einer Addition der einzelnen abschnittsbezogenen Einzelwiderstände des thermischen Pfades, die der Wärmestrom überwinden muss, zusammen. Bei der Betrachtung des Temperaturverlaufs entlang des thermischen Pfades bleibt festzuhalten: Je kleiner die einzelnen Wärmeübergangswiderstände zwischen den Kontaktstellen, desto kleiner ist der thermische Gesamtwiderstand und desto weniger Temperatur geht auf dem Weg zur Wärmesenke verloren. Die richtige wärmetechnische Anbindung der elektronischen Bauelemente ist in der Praxis oftmals fehlerhaft durchgeführt.

Auf die Kontaktierung kommt es an

Verschiedenartige Wärmeleitmaterialien zur thermischen Kontaktierung von elektronischen Bauteilen auf einer Wärmesenke, um den Wärmetransport von der Entstehung bis zur Abfuhr an die Umgebung zu verbessern, gibt es schon lange. Seitens der Anwender hat sich heutzutage allerdings das Bewusstsein für eine richtige thermische Kontaktierung in der Praxis mithilfe angepasster Wärmeleitmaterialien, auch thermische Interface-Materialien (TIM) genannt, geändert. Auf dem Markt gibt es zahlreiche verschiedene Kontaktmaterialien. Anwender stehen hier vor dem Problem, ein geeignetes Material für eine spezielle Applikation auszusuchen und zu spezifizieren. Die heutigen Wärmeleitmaterialien haben sich über die Jahre stets weiterentwickelt und können oftmals wesentlich mehr als nur die Wärme zu leiten. Ein für die Applikation passendes TIM sollte immer auf die Einbausituation und geforderten Randbedingungen abgestimmt sein. Neben der genannten Wärmeleitung sind unter anderem der Wärmewiderstand, die thermische Impedanz bei appliziertem Anpressdruck, die Eben- und Rauheit der Kontaktpaarung (Bild 1), die elektrische Isolierung oder Leitung (Isolationswiderstand), der Temperaturbereich und die Spannungsfestigkeit (Durchschlagsfestigkeit) wichtige Auswahlkriterien.

Bild 1: Herstellungsbedingte Toleranzen sollten stets vor der Auswahl eines geeigneten TIM geprüft und berücksichtigt werden.

Bild 1: Herstellungsbedingte Toleranzen sollten stets vor der Auswahl eines geeigneten TIM geprüft und berücksichtigt werden. Fischer Elektronik

In der Praxis findet die Auswahl von Wärmeleitmaterialien oftmals nur anhand der Wärmeleitfähigkeit statt, bevor es zum Einsatz in der Applikation kommt. Gemäß der im Herstellerdatenblatt angegebenen Wärmeleitfähigkeit fällt die Entscheidung nicht selten zugunsten des Materials mit dem höchsten Wert. Technisch ist das nachvollziehbar, da das Wärmeleitmaterial mit der höchsten Leitfähigkeit zu einem geringeren Temperaturanstieg am Bauteil und damit gleichermaßen zu einer längeren Lebensdauer führt. Verbraucher sollten die Auswahl der Materialien nicht nur anhand der Wärmeleitfähigkeit treffen beziehungsweise den im Datenblatt gemachten Angaben blind vertrauen, ohne diese nicht zumindest kritisch zu betrachten und zu hinterfragen.

Die halbe Wahrheit im Datenblatt

Die im Herstellerdatenblatt gemachten Angaben zur Wärmeleitfähigkeit beziehen sich zwar meistens auf eine ASTM-Norm, in der aber keinerlei Oberflächenstrukturen der Kontaktpaarung, Andruckkräfte durch eine mögliche Schraub- oder Federapplikation des Bauteils, Temperaturbelastungszyklen, Fließverhalten des Materials auch bei Schwingungen oder Vibrationen, Masseverluste aufgrund von Ausgasungen, Benetzungseigenschaften etc. Beachtung finden. In der Praxis belegen mehrere Analysen und Auswertungen von Laborversuchen, dass Wärmeleitmaterialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit unter verschiedenen Belastungen und Zyklen deutlich schlechter abschneiden als Materialien mit einer geringeren Leitfähigkeit. Die richtige Anwendung der verschiedenen Wärmeleitmaterialien erfordert die Betrachtung sämtlicher Parameter der Applikation, anhand derer die infrage kommenden Materialien auszuwählen, in den Versuchsaufbau zu integrieren sowie auf Tauglichkeit zu spezifizieren sind.

Kunden fragen aktuell vermehrt nach der Lebensdauer von TIMs. Dieses wichtige Thema ist allerdings nur schwer mit genauen Aussagen zu beziffern. Erfahrungswerte über das Verhalten im praktischen Einsatz unterschiedlicher Materialien wie Pasten, Folien, Gele, Klebstoffen oder PCM (Phase Change Material) liegen über dem oftmals geforderten langen Zeitraum nicht vor. Verglichen wird hierbei seitens der Anwender mit der Lebensdauererwartung von Halbleitern, bei der sich eine Lebensdauerforderung von dreißig Jahren manifestiert hat.

Es ist bisher noch nicht möglich, die Reaktion von unterschiedlichen TIMs in einer speziellen Einbausituation und den damit verbundenen Alterungseigenschaften zuverlässig zu bestimmen oder zu messen. Erschwerend kommt hinzu, dass die kundenspezifischen Anforderungen und Anwendungen überaus vielfältig sind. Es ist bekannt, dass Materialien und deren Lebensdauer sich unter Einfluss gewisser Belastungen verändern, während die Frage nach dem Wie aktuell leider noch unbeantwortet bleiben muss.

Die Applikation bestimmt das TIM

Die Eigenschaften der auf dem Markt erhältlichen Wärmeleitmaterialien sind sehr stark variierend. Das Angebotsspektrum beinhaltet Wärmeleitpasten und -kleber, silikonhaltige und -freie Elastomere, Schaum- und Gel-Folien, Grafit- und Aluminiumfolien, Phasen veränderndes Wärmeleitmaterial, einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien, Kapton- und Glimmerscheiben sowie Aluminiumoxydmaterialien. Bei allen Anwendungen und der Verwendung von Wärmeleitmaterialien ist stets zu beachten, dass die Applikation das geeignete Material bestimmt und nur der Blick auf die Wärmeleitfähigkeit nicht ausreichend ist. Vor der Auswahl des Wärmeleitmaterials lohnt sich ein Blick auf die Kontaktpaarung und deren Spaltmaß (Bild 2), das heißt, wieviel Luft es in der gewünschten Verbindung zu überbrücken gilt.

Zur thermischen Kontaktierung von planebenen Flächen eignen sich Wärmeleitpasten. Diese silikonhaltigen oder silikonfreien Pasten sind hilfreich beim Ausgleich einer Kontaktpaarung mit sehr kleinen Spaltmaßen. Der Einsatz von Wärmeleitpasten sollte jedoch sparsam dosiert erfolgen, da diese für den Ausgleich von größeren Spaltmaßen nicht geeignet sind. Das liegt an deren Zusammensetzung und den damit verbundenen Pump-out-Eigenschaften. Empfohlene Schichtstärken liegen bei maximal 50 µm, was absolut ausreichend ist, um die Rautiefen einer Frässtruktur auszugleichen.

Eine Alternative zu pastösen Wärmeleitpasten bieten sogenannte PCMs (Phase Change Material) in fester Form. Hierbei wird ein Trägermaterial beidseitig mit einem Wärmeleitwachs beschichtet. Die Materialien sind als Platten- oder Rollenware verfügbar. Der wesentliche Vorteil gegenüber einer Wärmeleitpaste liegt in der reproduzierbaren Schichtstärke sowie der einfachen und schnellen Montage auf den zu kontaktierenden Oberflächen. Um die Montage zu erleichtern, besteht die Möglichkeit, die Materialien wahlweise auch mit einer Haftbeschichtung zu versehen. PCMs besitzen als Besonderheit eine Phasenänderungstemperatur, das heißt, bei einem Temperaturbereich von circa 45 bis 55 °C je nach Material ändert sich der Zustand der aufgebrachten Wachsschicht von fest in weich bis fließend. Somit gelangt das Material nach dem Aufschmelzen in sämtliche Zwischenräume der Kontaktpaarungen. Bei erneuter Unterschreitung des Temperaturbereiches, wie es zum Beispiel bei Lastzyklen vorkommt, kehrt das auf dem Träger aufgeschichtete Material in den festen Ursprungszustand zurück, ohne allerdings die Verbindung zu den Kontaktstellen zu verlieren.

Gap-Filler

Bild 2: Dickere und komprimierbare Materialien dienen zum Ausgleich von größeren Spaltmaßen und schmiegen sich bei richtigem druck optimal an die Kontaktoberfläche.

Bild 2: Dickere und komprimierbare Materialien gleichen größere Spalten aus und schmiegen sich bei richtigem Druck optimal an die Kontaktoberfläche. Fischer Elektronik

Bild 3: Kundenspezifische Zuschnitte und Geometrien können relativ einfach und individuell mittels einem geeigneten Maschinenpark hergestellt werden.

Bild 3: Kundenspezifische Zuschnitte und Geometrien können relativ einfach und individuell mithilfe eines geeigneten Maschinenparks hergestellt werden. Fischer Elektronik

Materialien zur Überbrückung von größeren Spaltmaßen, sogenannte Gap-Filler oder Gel-Folien, sind ebenfalls in den Ausführungen silikonhaltig oder silikonfrei erhältlich. Diese sind in den Materialstärken von 0,5 bis 5 mm verfügbar, dienen zum Ausgleich von größeren Spaltmaßen und sind je nach Materialtyp sowie Härtegrad bis auf die Hälfte ihrer Materialstärke komprimierbar. Um eine Kompression der Materialien zu erreichen, ist eine flächige Druckbeaufschlagung nötig, damit sich diese optimal an die zu kontaktierenden Oberflächen anschmiegen können (Bild 2). Das richtige Verhältnis zwischen auszugleichender Toleranz, aufgebrachtem Druck (Kompression) und Materialdicke liefert optimal angepasste Wärmeübergangswiderstände. Aufgrund ihrer Eigenschaften und Weichheit ist eine Produktion der genannten Folienmaterialien relativ einfach an kundenspezifische Vorgaben anzupassen, sei es als Zuschnitt oder Konstruktionsteil mithilfe von Stanzautomaten oder Schneidcutter (Bild 3).