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Welches Material ist besser? Die richtige Auswahl treffen

Nach der ersten Vorauswahl nach prozesstechnischen, konstruktiven, thermischen und monetären Gesichtspunkten wird die Auswahl durch detaillierte Datenblattangaben eingegrenzt. Schwierigkeiten können schon bei der Angabe des thermischen Widerstands mit unterschiedlichen Einheiten entstehen. Beispielsweise ist bei Material A der thermische Widerstand mit 0,2 K/W (inch²) mit einer Dicke von 0,2 mm angegeben, bei Material B steht 0,3 K/W für eine Fläche vom TO3-P mit derselben Dicke. Welches TIM ist besser?

Der thermische Widerstand in der Einheit K/W ist nur bei gleichen Messflächen vergleichbar. Die Umrechnung in die flächenbezogene Einheit mm²K/W ergibt für Material A „129“ und für Material B „83“. Die nächste Herausforderung entsteht durch die unterschiedliche Angabe von Messmethoden. Oft sorgen interne, firmenspezifische Verfahren für Verwirrung. Für TIMs hat sich die stationäre Zylindermethode nach ASTM D5470 etabliert. Dort wird der Messvorgang für viskose, elastische und feste TIMs beschrieben.

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Bild 2 zeigt das Messprinzip. Zwischen zwei Prüfzylindern aus Aluminium wird die Probe eingespannt. Aus dem Temperaturverlauf entlang der Prüfzylinder und dem Temperatursprung an der Probe ergibt sich deren thermischer Widerstand.

Die Testmethode ASTM D5470 beschreibt ein stationäres Messverfahren. Es wird aufgrund einer eingestellten Temperaturdifferenz von der Quelle bis zur Senke ein Wärmestrom erzeugt, der in zwei Messzylindern erfasst wird. Gleichzeitig werden mit kalibrierten Thermoelementen die Temperaturen in den Messzylindern gemessen und an die Messzylinderoberfläche extrapoliert. Aus dem Verhältnis der Temperaturdifferenz zum mittleren Wärmestrom wird der thermische Widerstand bestimmt. Durch den Einsatz eines berührungslosen LED-Mikrometers wird zusätzlich das Spaltmaß gemessen und die effektive Wärmeleitfähigkeit bestimmt. Am ZFW Stuttgart steht der mit dem Löhn-Preis ausgezeichnete TIM-Tester, der die ASTM in einigen Bereichen erweitert und die Messqualität nochmals verbessert hat.

TIMs sollten generell auf ihre Bulk- und Kontaktwiderstände überprüft werden. Zuerst fällt der Blick wieder auf die Applikation. Es stellen sich die Fragen: Ist das TIM unter Druck, z.B. mit Federkraft, oder unter einem konstanten Spaltmaß mit einer Schraubverbindung im Wärmepfad appliziert? Wie verändert sich das TIM unter konstantem Druck aus thermischer und mechanischer Sicht? Was passiert bei einem konstanten Spaltmaß? Kann das TIM durch seine Einbaulage selbst beschädigt werden?

Pads, Gele und Gapfiller können unter konstantem Druck oder unter einem konstanten Spaltmaß gemessenen werden. Bei der Messung unter konstantem Druck entsteht ein Setzverhalten des Pads. Unter konstantem Spaltmaß verringert sich die Kraft bis zu einem minimalen Wert. Beide Messmethoden entsprechen dem realen Retardations- und Relaxationsverhalten einer Applikation. Bild 3 zeigt das Messergebnis eines Silikon-Pads unter konstantem Druck. Aufgetragen ist die Messkurve über der Verpressung bei gleichzeitiger Darstellung des Druckes. Typische Grenzwerte aus der statistischen Toleranzrechnung liegen zwischen 14% und 38% des absoluten Spaltmaßes. Die sich daraus ergebenden Toleranzen des thermischen Widerstandes unterscheiden sich schon zu Beginn um 20%.

Die dritte Möglichkeit ist die Kombination aus beiden Messmethoden. Zuerst wird ein konstantes Spaltmaß (5%, 10%, 15%, 20% usw.) angefahren. Nach jedem einzelnen Spaltmaß und einer definierten Wartezeit wird der Messmodus von konstantem Spalt auf konstanten Druck gestellt. Es wird ein minimaler Druck von 0 bis 0,5 bar angefahren. Aus diesen Messungen lässt sich die Messkurve der Rückstellfähigkeit berechnen.

Das Pad erfährt im Einsatz durch Temperatur und Umwelteinflüsse eine Ausdehnung oder einen Verzug. Die Rückstellfähigkeit zeigt an, ob das TIM diese Bewegung mitmachen kann oder sich im schlimmsten Fall von der Oberfläche ablöst. Durch ein Ablösen wird der thermische Widerstand an dieser Kontaktstelle sprunghaft steigen. Bild 4 zeigt beispielhaft die Messergebnisse eines 1 mm dicken Pads. Mit steigender Verpressung (Spaltmaßänderung) wird die Rückstellfähigkeit kleiner. Dies deutet auf Mikrorisse im Material hin.

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