Wärmeleitmaterial kompensiert Lufteinschlüsse

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Thermisch leitende Metalloxide in dem Bindemittel Silikonelastomer bewirken eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials bei gleichzeitig hoher Isolationsfestigkeit durch die Elastomere. Gute Oberflächeneigenschaften zur Kompensation von Rauigkeiten und mechanischen Toleranzen sind ebenfalls durch das sehr weiche und elastische Silikon gegeben.

Des Weiteren bieten Silikonwärmeleitfolien brauchbare Eigenschaften in punkto Temperaturbereich, elektrischer Durchschlagsfestigkeit und Alterungsbeständigkeit. Für besondere mechanische Anforderungen, z.B. bei Schraubverbindungen, werden zusätzlich Glasfasergewebe in die Wärmeleitfolie eingesetzt, um ein Zerdrücken der Folie und somit einen möglichen Kurzschluss zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglichen einseitig aufgebrachte Haftbeschichtungen (optional) eine unkomplizierte und schnelle Montage der Wärmeleitfolie mit genauer Positionierung.

Bauteildifferenzen oder auch Unebenheiten von bis zu 0,3 mm können ohne Probleme mit den erwähnten Silikonfolientypen ausgeglichen werden. Zur thermischen Überbrückung großer Spaltmaße von ca. 0,5 bis 6 mm empfiehlt sich der Einsatz so genannter druckabhängiger Gap-Filler (Bild 3). Aufgrund ihrer hohen Elastizität wirken sie selbst als Federelement und erzeugen somit den Kontaktdruck. Diese, ebenfalls auf Silikonbasis bestehenden Materialien, können je nach Härtegrad bis zu 35% bei Gel-Folien und bis über 50% bei Schaumfolien ihrer Gesamtdicken komprimiert werden.

Die den thermischen Kontakt erzeugenden federnden Rückstellkräfte müssen im gesamten Betriebsbereich wirken. Hierzu ist es notwendig, dass die Wärmeleitfolien für eine korrekte und effiziente Funktion durch Kompression auf Vorspannung stehen. Die hierfür erforderlichen Drücke müssen groß genug sein, um eine optimale Komprimierung des Materials zu erreichen und langfristig im gesamten Toleranzbereich der Applikation eine thermische Kontaktierung zu gewährleisten.

Im Gegenzug dazu darf der aufgebrachte Druck nur so groß sein, dass eine Beschädigung der Leiterplatte, der Lötverbindungen oder sogar der Bauteile auszuschließen ist. Thermisch optimale Wärmeübergangswiderstände durch Gap-Filler werden durch das richtige Zusammenwirken von auszugleichender Summentoleranz, aufgebrachtem Druck, Kompression und Materialstärke erzielt.

Paste statt Folie

Wärmeleitpasten sind auf dem Vormarsch und werden aufgrund der verbesserten Oberflächenanpassung wieder verstärkt in elektronischen Applikationen eingesetzt. Sie bieten eine sehr gute thermische Leistungsfähigkeit (λ bis zu 10 W/mK), jedoch sind diese nicht zum Ausgleich von Unebenheiten oder mechanischen Toleranzen gedacht und geeignet. Lediglich Rautiefen, die z.B. durch das Planfräsen einer Oberfläche entstehen, gilt es aufzufüllen.

Getreu der Devise weniger ist mehr, sollte die maximal aufgebrachte Schichtstärke ca. 50 µm betragen. Leider ist allerdings in vielen elektronischen Applikationen oftmals das umgekehrte Motto erkennbar. Zu viel aufgetragenes Material quillt nach der Bauteilmontage an den umlaufenden Flächen heraus (Titelbild). Wärmeleitpasten, egal ob silikonfrei oder silikonhaltig, bestehen aus Ölen oder anderen synthetischen Mineralölestern, welche oftmals mit elektrisch leitfähigen Metalloxydpartikeln, wie z.B. Graphit, Keramik oder Silber, zu einer Paste vermischt sind.

Die flüssigen Bestandteile des überschüssigen Materials verflüchtigen sich mit der Temperatur und Zeit. Die festen, elektrisch leitfähigen Partikel können nun in trockener Form zerbröseln und im „Worst Case“ einen Kurzschluss anderer elektronischer Bauteile auf der Leiterkarte bewirken. Das Handling und die Handhabung zum richtigen Aufbringen der Wärmeleitpaste stellt jedoch nach wie vor einen entscheidenden Nachteil im Vergleich zu Folien dar. Weitere sich auf der Leiterkarte befindlichen Bauteile sollten durch den Pastenauftrag nicht verunreinigt werden. Zusätzliche Hilfsmittel, wie automatische Dispenser-Systeme oder auch einer einfacher Rakel, bieten hierbei hilfreiche Unterstützung.

Wo Wärmeleitpasten aufgrund der genannten Schwierigkeiten oder dem Produktionsprozess nicht eingesetzt werden können, liefern die so genannten Phase-Change-Material (PCM), auch Phasenwechselmaterialien genannt, eine durchgehende Schichtdicke sowie eine saubere und schnelle Montage. Diese sind meist als Poly- oder Monomere ausgebildet und gehen in einen weichen Aggregatzustand über, sobald das Material das erste Mal über die dafür benötigte Phasenänderungstemperatur (ca. 52°C) erwärmt wird. In diesem weichen Zustand fließt das Material in alle Zwischenräume, eliminiert Lufteinschlüsse und benetzt die Kontaktflächen.

Bei Abkühlung bzw. Unterschreitung dieser Temperatur wird das Material wieder fest, ohne allerdings den thermischen Kontaktwiderstand zu verlieren. Dieser bleibt dauerhaft, selbst nach jedem weiteren Erwärmen und Durchlaufen der Phasen, erhalten.

Die thermischen Probleme und Herausforderungen bei der Entwärmung elektronischer Systeme sind über die Jahre stark angewachsen, was das Selektieren des richtigen Wärmeleitmaterials zunehmend erschwert.

Wärmeleitfolien sind nicht mehr nur einfache Stanzteile, sondern ein entscheidender Bestandteile des gesamten Entwärmungspakets. Die Hersteller verschiedenartiger Wärmeleitmaterialien geben in den Datenblättern oftmals unterschiedliche Tests zur Ermittlung ihrer Werte an. Deshalb sollten Entwickler stets alle Daten bei der Auswahl des richtigen Wärmeleitmaterials vergleichen und kritisch betrachten. Eigene, auf die Applikation abgestimmte Versuchsreihen, sind in der Regel immer noch die beste Möglichkeit, das optimale Wärmeleitmaterial zu finden.

* Jürgen Harpain ist als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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