Cure-in-Place Gap Filler Auswahl und Einsatz schnell härtender Thermal Gap Filler

Thermal Gap Filler setzen sich bei Wärmemanagement-Materialien zunehmend durch. Denn sie bieten neben einer höheren effektiven Wärmeleitfähigkeit bessere Benetzung und dünnere Klebefugen.

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Das Aufbringen schnell härtender (Cure-in-Place) Gap Filler wird zur maßgeblichen Technik beim Einsatz von Wärmemanagement-Materialien im Bereich elektronischer Baugruppen. Dies betrifft die Automobilelektronik, Telekommunikation und stromsparende Beleuchtungen, da hier immer größere Stückzahlen und dünnere Klebefugen gefordert sind sowie ein geringerer mechanischer Druck auf Bauteile und Lötpunkte ausgeübt werden soll. Dieser Trend sorgt für Veränderungen bei der Beschaffenheit und Handhabung von Wärmeleitmaterialien, bei deren Applikation und den Dosieranlagen in Fertigungslinien.

Cure-in-Place Gap Filler

Wärmeeffiziente Pads und Filler sind entscheidend, wenn es um eine höhere Leistungsfähigkeit und kleinere Baugrößen in elektronischen Baugruppen geht, ohne dabei deren Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Zu den Einsatzgebieten zählen z.B. Stromversorgungen und Steuerungseinheiten.

Moderne wärmeleitfähige Materialien bestehen aus Keramik gefüllten Silikon-Elastomeren, die einfach zu handhaben sind, sich gut an die Form und Oberflächenstruktur von Kühlkörpern oder elektronischen Bauteilen anpassen und eine hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Luft bieten.

Darüber hinaus wurden silikonfreie Thermal Gap Filler für Anwendungen entwickelt, die empfindlich gegen Silikone sind. Sie werden beim Risiko elektrischer Lichtbögen oder Funkenüberschlag eingesetzt, da durch Lichtbögen oder Funken die Siliziumbestandteile des organischen Polymers in isolierendes Siliziumdioxid umgewandelt werden, was den korrekten Betrieb eines Systems verhindert.

Vorgeformte Gap Pads in Standard- oder kundenspezifischen Formen, Größen und Stärken bieten einen wesentlichen Vorteil: sie sind im Vergleich zu Wärmeleitpasten sehr einfach anwendbar. Pasten sind schwieriger zu applizieren, ungenau in der Benetzung und daher in modernen Fertigungsumgebungen eher unerwünscht. Es besteht jedoch ein zunehmender Bedarf an Form-in-Place-Wärmeleitmaterialien, die sich auf- spritzen lassen (Bild 1).

Schnell härtende Wärmeleitmaterialien werden flüssig aufgetragen, erzielen eine sehr dünne Klebefuge, was die Wärmeleitfähigkeit erhöht und in besonders kleinen Baugruppen wie Automotive-ECUs (Engine Control Unit) bevorzugt wird. Eine sorgfältige Berechnung der Auftragungsform und des Volumens kann den Druck auf empfindliche Bauteile wie kleine SMD-Passivkomponenten und BGA-Chips bei der Endmontage verringern. Hersteller von BGA-Bausteinen geben häufig einen maximalen Druck pro Pin an, der überschritten werden kann, wenn der Gehäusedeckel mit einem Thermal Pad auf dem Bauteil verbunden ist.

Schnell härtendes Material benetzt beim Auftragen die Oberfläche vollkommen, d.h. selbst raue Oberflächen werden umfassend benetzt. Damit werden kleine Lufteinschlüsse verhindert, und so die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Die optimale Menge und Form des aufzutragenen Materials kann genau festgelegt werden, indem mit Testbauteilen aus Glas experimentiert wird, was eine klare Sicht auf die Oberflächenabdeckung und die Klebespaltdicke ermöglicht.

Ein Cure-in-Place Gap Filler bietet eine höhere Wärmeleitfähigkeit als in den Materialdatenblättern angegeben. Selbst wenn ein schnell härtendes Material augenscheinlich eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit (W/mK) als gängige Wärmeleitmaterialien wie Pads besitzt, sorgen die dünnere Klebefuge und die gute Benetzung des Cure-in-Place-Materials für bessere Wärmeleiteigenschaften in der Praxis.

Vorteile von schnell härtenden Gap Fillern

Darüber hinaus kann bei schnell härtenden Materialien bei jeder Design-Änderung, bei der die Position oder die Art des Bauteils geändert wird, das Wärmeleitmaterial schnell angepasst werden, indem die Form und die Menge verändert werden. Falls automatische Dosieranlagen zum Einsatz kommen, lassen sich diese erneut programmieren, was eine Neubestellung von Gap-Filler Pads in verschiedenen Größen und Formen erübrigt (Aufmacherbild).

Bergquist hat verschiedene Arten nicht korrodierender, temperaturstabiler, wärmeleitfähiger und automatisch dosierbarer Gap Filler entwickelt. Darunter befinden sich 2-Komponenten-Materialien, die beim Auftragen zusammengemischt werden und die benachbarten Oberflächen vollständig benetzen und kleinste Luftspalte und Hohlräume füllen.

Das Aushärten beginnt, sobald die beiden Komponenten miteinander vermischt werden und ist abgeschlossen, nachdem der Werkstoff-Compound aufgebracht wurde. Nachdem das Material voll ausgehärtet ist, bleibt es ein flexibles und weiches Elastomer, das Belastungen aufgrund seines Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE – Coefficient of Thermal Expansion) während thermischer Zyklen mindert.

Materialeigenschaften der Thermal Gap Filler

Die dosierbaren Gap Filler sind unterschiedlich thixotrop und behalten ihre Form nach dem Auftragen. Um eine vollständige Benetzung der benachbarten Oberflächen zu garantieren, muss von außen eine Kraft aufgewendet werden. Die Materialien weisen eine relativ hohe Ruheviskosität auf. Wird jedoch eine Scherkraft angewendet, wie z.B. während des Dosiervorgangs, nimmt die Viskosität ab, was eine einfache Dosierung ermöglicht. Die eigentliche Viskosität ist damit abhängig von der Scherrate. Anwender sollten dies beachten, wenn sie Materialien testen und vergleichen. Nach dem Auftragen erlangt das Material seine Viskosität wieder und bleibt somit auf der Baugruppe haften und behält seine Form ohne Verlaufen oder Tropfenbildung.

Das Materialverhalten nach dem Auftragen und vor dem Aushärten wird hinsichtlich seiner Beständigkeit beschrieben. Dieser Index ist ein Maß für seine kohäsiven Eigenschaften (Materialkonsistenz) und seiner Klebeeigenschaften (die Fähigkeit, auf der Zieloberfläche zu haften). Die beschriebenen Gap Filler bieten eine Reihe rheologischer Vorzüge und lassen sich kundenspezifisch an Fließanforderungen von selbstnivellierenden bis hin zu hoch thixotropen Materialien anpassen, die ihre Form genauso halten, wie sie aufgetragen wurden.

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