Wer sein Berechnungsmodell, egal ob analytisch oder numerisch, mit falschen Werten füttert, darf keine brauchbaren Ergebnisse erwarten. Für die Berechnung der zeitabhängigen Temperaturen und Strömungen in der Elektronik muss für jedes Material neben seinen Abmessungen die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität, die Dichte, der Emissions- und Absorptionsgrad der zum Fluid zeigenden Oberflächen und die Viskosität des Fluids bekannt sein. Dazu kommen noch die Einbaulage, eventuell aufgeprägte Luftströmungen und die Solarstrahlung.

Eine besondere Herausforderung sind die thermischen Übergangswiderstände: Berühren sich im Wärmepfad zwei Festkörper, entsteht an ihrer Kontaktfläche ein thermischer Übergangswiderstand. Kleinste Lufteinschlüsse auf Grund der Oberflächenrauheit werden für den Wärmestrom zum Hindernis. Leider sind die Übergangswiderstände messtechnisch schwer zu erfassen. Sie hängen von vielen Faktoren ab, wie Rauheit und Härte der beiden Oberflächen, Gestaltsabweichungen höherer Ordnung oder dem mechanischen Anpressdruck. Oft sind sie der Flaschenhals im Wärmepfad.

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Für die Messung der Materialeigenschaften stehen viele Methoden zur Verfügung. Neben vielen Exoten haben sich in der Branche der Elektronikkühlung drei etabliert: Die stationäre Zylindermethode nach ASTM D5470-12, das Laser-Flash-Verfahren nach ASTM E1461 und das Thermische Transientenverfahren nach JEDEC JESD51-14.

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Die stationäre Zylindermethode

Eine Möglichkeit für die präzise Bestimmung des thermischen Widerstands von Festkörpern, Elastomeren und Pasten, wie z.B. thermische Interface-Materialien (TIM), ist die stationäre Zylindermethode nach ASTM D 5470-12. Dabei wird die Probe zwischen zwei Zylinder geklemmt (Bild 5).

Durch Beheizen des oberen Zylinders und Kühlen des unteren Zylinders entsteht ein Wärmestrom durch die Probe. Mit dünnen Thermoelementen wird der Temperaturabfall entlang des Wärmepfads gemessen. An der Stelle der Probe ergibt sich ein Temperatursprung. Der Quotient aus Temperatursprung und Wärmestrom liefert den Rth-Wert der Probe, also deren thermischen Widerstand. Wer die Wärmeleitfähigkeit der Probe wissen will, muss noch die Probendicke messen.

Das klingt einfach. Doch für zuverlässige Messergebnisse braucht es noch viel Detailarbeit. Zwei Zylinderflächen mit 30 mm Durchmesser planparallel auszurichten, ist nicht trivial. Schon ein effektiver Spalt von 1 µm zwischen den Zylinderflächen wäre das Ende einer brauchbaren Messung.

Der Abstand zwischen den Zylindern, also die Probendicke, sollte während der Messung kontinuierlich mikrometergenau erfasst werden. Speziell bei thermischen Interface-Materialien ist das Fließverhalten der Proben bei definiertem, anliegendem Druck eine äußerst hilfreiche Information.

Übrigens ist auch die umgekehrte Messung spannend: Wie relaxiert das Material mit der Zeit, wenn ich seine Probendicke konstant halte? Prinzipiell liefert die stationäre Zylindermethode als erste Größe den thermischen Widerstand der Probe, inklusive der beiden Grenzflächenwiderstände zu den Messzylindern. Besonders bei dünnen, harten Proben, wie etwa Kaptonfolie, können die Übergangswiderstände einiges höher liegen als die Bulk-Werte des Materials selbst.

Wer Datenblattwerte vergleicht, sollte sich deshalb im Klaren sein, ob die Wärmeleitfähigkeit, also der reine Bulk-Wert, oder die effektive Wärmeleitfähigkeit angegeben ist. Diese beinhaltet den Bulk-Wert und beide Übergangswiderstände an den Grenzflächen.

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