Gap Pads der nächsten Generation Designfreiheit trifft auf thermische Effizienz

Anbieter zum Thema

Kerafol Keramische Folien GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

MicroConsult Academy GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Klassische, planare Gap-Pads stoßen bei variierenden Bauteilhöhen und komplexen Baugruppentopografien zunehmend an ihre Grenzen. Der Beitrag stellt ein neuartiges Verfahren zur additiven Herstellung dreidimensionaler Gap-Pads vor, das eine bislang nicht erreichbare Gestaltungsfreiheit im Wärmemanagement ermöglichen soll.

Die steigende Leistungsdichte moderner Elektronik stellt Entwickler vor immer komplexere Herausforderungen beim Wärmemanagement. Klassische, zweidimensionale Gap-Pads stoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen: Sie können nur eingeschränkt bauteilabhängige Höhenunterschiede berücksichtigen, bieten begrenzte Möglichkeiten zur gezielten Wärmeleitung und erfordern oft Kompromisse zwischen Kompression, Montagekraft und thermischer Leistungsfähigkeit. Gleichzeitig gewinnen neue Kühlansätze wie das Top-Side Cooling (Bild 1) an Bedeutung, bei dem die Wärme gezielt über die Oberseite leistungsstarker Halbleiter abgeführt wird.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, rücken dreidimensionale Gap-Pads in den Fokus – Bauteile, die nicht nur thermisch leitfähig und kompressibel sind, sondern sich konstruktiv exakt an komplexe Geometrien und variierende Bauteilhöhen anpassen lassen.

Bildergalerie

Herstellungsverfahren wie Spritzguss und additive Fertigung (3D-Druck) ermöglichen es, solche 3D-Gap-Pads mit frei definierbaren Wärmepfaden, lokalen Verstärkungszonen und variablen Kompressionsbereichen herzustellen. Damit entsteht erstmals die Möglichkeit, das Wärmemanagement nicht nur über Materialeigenschaften, sondern über funktionales, dreidimensionales Design zu optimieren.

Für 3D-Gap-Pads kommen in der Regel weich-elastische, elektrisch isolierende und hochgefüllte Polymermatrizen zum Einsatz, typischerweise Silikone, Polyurethane oder thermoplastische Elastomere. Entscheidend ist ihre Fähigkeit, keramische Füllstoffe homogen einzubetten und zugleich ausreichend kompressibel zu bleiben.

In diesem Artikel liegt der Fokus auf Keramold, einem speziell für thermisch leitfähige Anwendungen entwickelten, hochgefüllten TPE-System. Das TPE (thermoplastisches Elastomer) vereint eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit mit einer ausgezeichneten 3D-Wärmeleitfähigkeit und lässt sich sowohl im Spritzguss als auch im pelletbasierten 3D-Druck verarbeiten. Damit eignet es sich für die Herstellung funktionaler 3D-Gap-Pads, insbesondere für Topside-Cooling-Anwendungen.

Dieser Fachartikel behandelt die Zusammenhänge zwischen Kompression und effektiver Wärmeleitfähigkeit von Keramold, vergleicht die thermische Leistungsfähigkeit von spritzgegossenen und additiv gefertigten 3D-Gap-Pads und zeigt, warum 3D-Design und Top-Side-Cooling-Architekturen neue Maßstäbe für zukünftige Elektroniksysteme setzen.

Kompression und effektive Wärmeleitfähigkeit

Die thermische Leistungsfähigkeit eines Gap-Pads wird nicht allein durch den Materialleitwert bestimmt, sondern vor allem durch die effektive Wärmeleitfähigkeit (λ_eff) im realen Kontaktverbund. Entscheidend ist dabei die Kompression zwischen Bauteil und Kühlkörper.

Bild 2 zeigt die Kompression und die effektive Wärmeleitfähigkeit von Keramold 20N (Schichtdicke: 1 mm, Fläche: 4 cm²) bei Anpressdrücken zwischen 0,1 N/mm² und 0,4 N/mm². Unter Druck verringert sich die Schichtdicke, Luftspalte werden verdrängt und die reale Kontaktfläche vergrößert sich.

Da Luft ein ausgezeichneter thermischer Isolator ist, führt jede Reduktion von Poren und Öberflächenstrukturen zu einer spürbaren Verbesserung des Wärmeflusses. Gleichzeitig rücken die keramischen Füllstoffe dichter zusammen, sodass stabilere Wärmepfade entstehen. Insgesamt steigt λ_eff mit zunehmender Kompression an, nähert sich jedoch bei ausreichender Verdichtung einem Plateau, an dem weitere Montagekräfte kaum zusätzliche Vorteile bringen.

Gerade im Top-Side Cooling, wo die Wärmepfade besonders kurz und die Kontaktqualität entscheidend für die Leistungsfähigkeit moderner Halbleiter ist, spielt die richtige Kompression eine zentrale Rolle. 3D-Gap-Pads können hier durch bauteilangepasste Strukturen, definierte Stege und lokal optimierte Kompressionszonen sicherstellen, dass die Wärme bevorzugt über die Oberseite des Bauteils abgeführt wird – selbst bei stark variierenden Bauteilhöhen.

Herstellung von 3D-Gap-Pads mittels Spritzgusses und 3D-Druck

Die Produktion dreidimensionaler Gap-Pads kann sowohl über klassische Spritzgussverfahren als auch über additive Fertigung erfolgen. Beide Ansätze bieten spezifische Vorteile, unterscheiden sich jedoch deutlich in Flexibilität, Materialhomogenität und Wirtschaftlichkeit.

Spritzguss ermöglicht die Herstellung hochpräziser und vollständig verdichteter Bauteile. Das Material wird unter hohem Druck in ein Werkzeug eingespritzt, wodurch nahezu porenfreie Strukturen entstehen. Der Vorteil: eine sehr homogene Füllstoffverteilung und damit ein maximaler Materialleitwert. Spritzguss eignet sich für Serienfertigung und ermöglicht enge Toleranzen sowie eine hervorragende Reproduzierbarkeit. Allerdings sind Werkzeugkosten und -zeiten hoch, und geometrische Anpassungen erfordern stets ein neues Werkzeug oder aufwendige Modifikationen.

Im Gegensatz dazu bietet der 3D-Druck (pelletbasierte Extrusion) eine außergewöhnlich hohe geometrische Freiheit. Keramold-Granulate lassen sich direkt extrudieren, sodass komplexe 3D-Strukturen wie Stege, variable Höhen, Aussparungen oder Topologie-optimierte Wärmeleitpfade ohne Werkzeug realisierbar sind. Dies erlaubt die schnelle Umsetzung von Designs, die exakte Anpassung an Bauteil-Topografien sowie die effiziente Fertigung von Prototypen und Kleinserien.

Die additive Fertigung der 3D-Gap-Pads erfolgt mittels eines pelletbasierten Extrusionsdruckers, der speziell für die Verarbeitung weich-elastischer, hochgefüllter Materialien ausgelegt ist. Im Gegensatz zum filamentbasierten 3D-Druck lassen sich thermoplastische Elastomere in Granulatform direkt verarbeiten, ohne vorherige Filamentherstellung. Dies ermöglicht die Verarbeitung sehr weicher Compounds, die als Filament nicht handhabbar wären. Bild 3 zeigt ein 3D-gedrucktes Pad bestehend aus Keramold 20 auf dem Druckbett.

Aufbau der 3D-Gap-Pads

Additiv gefertigte 3D-Gap-Pads besitzen aufgrund der schichtweisen Struktur meist eine etwas geringere Materialhomogenität als spritzgegossene Teile. Der Querschnittsaufnahme unter dem Mikroskop (Bild 4) verdeutlicht den schichtweisen Aufbau des 3D-gedruckten Gap-Pads. Erkennbar sind drei sauber übereinander abgelegte Materiallagen mit einer Schichthöhe von jeweils 200 μm. Zwischen den Lagen treten vereinzelt kleine Lufteinschlüsse auf, die typisch für extrusionsbasierte 3D-Druckprozesse sind.

Diese mikroskopischen Hohlräume beeinflussen den reinen Materialleitwert, spielen im realen Einsatz jedoch eine untergeordnete Rolle: Unter der im Betrieb üblichen Kompression verdichten sich die Strukturen, Luft wird verdrängt und die Kontaktflächen verbessern sich. Dadurch nähert sich die effektive Wärmeleitfähigkeit des 3D-Gap-Pads dem Wert dichter, konventionell gefertigter Bauteile an.

Bild 5 zeigt den direkten Vergleich der gemessenen Wärmeleitfähigkeit eines spritzgegossenen Gap-Pads und eines additiv gefertigten 3D-Gap-Pads. Das spritzgegossene Referenzbauteil erreicht eine Wärmeleitfähigkeit von 1,96 W/mK und eine Durchschlagsfestigkeit von 6,0 kV. Es profitiert von seiner nahezu vollständig dichten, homogenen Materialstruktur. Durch den hohen Formdruck im Spritzguss werden Lufteinschlüsse weitgehend vermieden, sodass der keramische Füllstoff sein volles Potenzial entfalten kann.

Demgegenüber weist das 3D-gedruckte Gap-Pad eine Wärmeleitfähigkeit von 1,64 W/mK und eine Durchschlagsfestigkeit von 5,3 kV auf. Der geringere Wert ist auf den schichtweisen Aufbau und vereinzelt vorhandene mikroskopische Hohlräume zurückzuführen, die prozessbedingt beim extrusionsbasierten 3D-Druck entstehen. Die unterschiedlichen Werte verdeutlichen den Einfluss der Fertigungstechnologie auf den reinen Materialkennwert.

Für die praktische Anwendung – insbesondere im Topside Cooling – ist jedoch entscheidend, dass diese Differenz nicht direkt dem realen Wärmewiderstand im System entspricht. Durch gezielte 3D-Geometrien, lokal reduzierte Schichtdicken und eine definierte Kompression im Einbau können 3D-gedruckte Gap-Pads den etwas niedrigeren Materialleitwert teilweise oder vollständig kompensieren.

Das Balkendiagramm macht damit deutlich: Während der Spritzguss den höheren nominellen Wärmeleitwert liefert, eröffnet der 3D-Druck zusätzliche Freiheitsgrade, um die effektive thermische Performance im Gesamtsystem zu optimieren.

Das Potenzial von 3D-Gap-Pads beim Top-Side-Cooling

Moderne Elektronik mit hoher Leistungsdichte und der zunehmende Einsatz von Top-Side-Cooling stellen neue Anforderungen an Wärmeschnittstellen. Klassische, planare Gap-Pads stoßen dabei an geometrische und funktionale Grenzen. 3D-Gap-Pads ermöglichen hingegen eine gezielte Anpassung an Bauteilhöhen und Wärmeströme und eröffnen neue Freiheitsgrade im thermischen Design.

Im Vergleich erreichen spritzgegossene Gap-Pads den höheren nominellen Materialleitwert, doch können 3D-gedruckte Gap-Pads diesen Nachteil im System häufig durch optimierte Geometrien kompensieren.

Damit eignet sich der 3D-Druck insbesondere für Prototyping und Kleinserien, da er hohe Designfreiheit, schnelle Iterationen und deutliche Kosten- und Zeitvorteile bietet. Der Spritzguss bleibt die bevorzugte Lösung für Großserien mit maximalem Materialkennwert. (kr)

* Simon Gumbel arbeitet als Materialentwickler und Application Scientist bei Kerafol in Eschenbach.

(ID:51001312)