Thermisch kontaktieren: TIM kurz erklärt Wärmeleitmaterialien: Sieben Tipps zur Auswahl

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Viele Entwickler unterschätzen, wie wichtig die Wahl des optimalen Thermal Interface Materials (TIM) ist – und achten nur auf die Wärmeleitfähigkeit. Wichtig sind aber auch die Flächenpressung, Zug- und Druckkräfte, Materialstärke, Fließverhalten, Temperaturen, Ausgasungen und die Komprimierbarkeit.

Werden zwei unterschiedliche Oberflächen thermisch miteinander verbunden, wie zur Entwärmung eines Transistors auf einem Kühlkörper, beträgt die effektive Kontaktfläche nur 2 bis 5 Prozent. Die restliche Fläche besteht aus Luftpolstern. Leider ist Luft einer der schlechtesten Wärmeleiter überhaupt.

Das hat Folgen für den Wärmetransport. Hier gibt es verschiedene Ansätze, angefangen von plan fräsen über Wärmeleitfolien bis hin zu Gap Fillern. Der Artikel gibt einen Überblick zu den gängigen Methoden und Auswahlhilfen.

Die Effizienz von Entwärmungskonzepten können Sie anhand der Wärmeleitung entlang des thermischen Pfades (z. B. in einer elektronischen Baugruppe) bewerten. Der thermische Pfad beschreibt den Weg der Wärme vom Entstehungspunkt im Bauteil bis zur ausgewählten Entwärmungsmethode inklusive der einzelnen Wärmeübergangs­widerständen, welche die Wärme auf ihrem Weg überwinden muss.

Die Bestandteile des thermischen Pfads

Der thermische Widerstand, auch als Wärmewiderstand bezeichnet, spezifiziert bei gegebener Verlustleistung die Temperaturdifferenz zwischen Anfang und Ende des Wärmepfades. Hierbei beeinflusst die Wärmeleitung in der thermischen Kontaktierung zwischen den einzelnen Wärmeübergängen das Gesamtergebnis maßgeblich.

Unter Wärmeleitung, auch als Wärme­diffusion oder Konduktion bekannt, wird in der Physik der Wärmefluss in einem Feststoff oder einem ruhenden Fluid infolge eines Temperaturunterschiedes verstanden. Die Wärme fließt dabei gemäß des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer nur in Richtung der geringeren Temperatur.

Als Fazit bleibt als Kernaussage: je kleiner jeder einzelne Wärmübergangswiderstand ist, desto besser die Wärmeleitung und desto geringer wird der thermische Gesamtwiderstand. Daraus abgeleitet ist es bei der Auslegung geeigneter Entwärmungskonzepte besonders wichtig, dass Sie Engpässe bzw. Defizite bei den einzelnen Wärmeübergängen so früh wie möglich analysieren und diese wärmetechnisch optimieren.

Besondere Aufmerksamkeit gebührt hierbei dem Wärmeübergang, genauer gesagt der wärmetechnischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils auf dem Entwärmungskonzept.

Tipp 1: Der Luftspalt – TIM richtig auslegen

Sowohl die verschiedenen Entwärmungskonzepte als auch elektronischer Bauelemente sind durch die Fertigungstechnik limitiert. Bei Kühlkörpern, welche im Strangpressverfahren extrudiert werden, sind die Oberflächen und Auflageflächen, die als Halbleitermontageflächen fungieren, niemals eben und glatt.

Sie weisen zum Teil erhebliche Unebenheiten in Form von Durchbiegungen und starken Rauigkeiten auf (Bild 1).

Aufgrund der Größe, Form und Komplexität von Kühlkörperprofilen liegen die angesprochenen Fertigungstoleranzen in einem Bereich vom einigen Zehntel bis hin zu einigen Millimetern. Da, wie bereits erwähnt, das zu entwärmende Bauteil korrekt mit dem Kühlkörper kontaktiert sein muss, besteht Handlungsbedarf.

Sie können den Kühlkörper auf der CNC-Maschine plan fräsen bis einer Rauigkeit von 20 bis 50 µm. Sollte diese Nacharbeit aus wirtschaftlichen Gründen nicht möglich sein, können Sie die Unebenheiten mithilfe von Wärmeleitmaterialien, umgangssprachlich auch als TIM (Thermal Interface Material) bezeichnet, ausgleichen.

Den Wärmewiderstand für das jeweilige Wärmeleitmaterial berechnen Sie nach der bekannten Formel R_th = l / λ *A.

Darin beschreibt l die Länge des Wärmeweges (Dicke des Materials) in [m], Lambda (λ) die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials in [W/m K] und A die Querschnitts- bzw. Auflagefläche in [m²].

Im Umkehrschluss sagt die Gleichung aus, dass, je geringer die Schichtdicke des Materials, je höher die thermische Leitfähigkeit und je größer die Kontaktfläche des TIM ausgelegt sind, desto niedriger der thermische Wärmeübergangswiderstand ausfällt.

Tipp 2: Die Länge des Wärmeweges beachten

Sie sehen, dass besonders die Länge des Wärmeweges das Ergebnis signifikant beeinflusst. Deswegen sollten Sie den Übergangsspalt der Kontaktpaarung genau betrachten. In vielen Fällen ist es sinnvoller, die Kon­taktoberfläche des Entwärmungskonzeptes (z. B. den Kühlkörper) plan zu fräsen, damit Sie ein möglichst dünnes Wärmeleitmaterial verwenden können.

Viele Anwender sparen sich die mechanische Nacharbeit und nutzen statt dessen einfach ein dickeres Wärmeleitmaterial. Der Effekt ist deutlich in Bild 2 zu erkennen. Bei identischer Wärmeleitfähigkeit des TIM variiert hier die Materialstärke von links nach rechts im Bereich von 0,5; 0,3 und 0,1 mm. Die schlechtere Wärmeverteilung innerhalb des Kühlkörpers bei dickeren TIM ist deutlich in den Bildern aus der thermischen Simulation zu erkennen.

Tipp 3: Richtiges TIM für gegebenen Luftspalt aussuchen

Die richtige Auswahl eines für die Applikation passenden Wärmeleitmaterials wird in Praxis oft unterschätzt. Leider werden die auf dem Markt verfügbaren Wärmeleitmaterialien oftmals nur anhand des Wertes für die Wärmeleitfähigkeit ausgesucht.

In der Gesamtanwendung können zum Beispiel neben den thermischen Eigenschaften auch die Flächenpressung, Zug- und Druckkräfte in Verbindung mit Lastzyklen, die Materialstärke, Gravitation, Schwingungen, Vibrationen, Fließverhalten, Temperaturen, Masseverluste durch Ausgasungen sowie die Komprimierbarkeit des Materials von Bedeutung sein.

Aus diesem Grund sollten Sie die verschiedenen Materialien hinsichtlich ihrer jeweiligen Spezifika beurteilen, um eine der Applikation entsprechende sowie bestmögliche Auswahl zu treffen.

Bei der TIM-Auswahl sollten Sie sich zunächst mit der Größe des Kontaktspaltes befassen, der für eine thermische Kontaktierung überbrückt werden muss. Liegt dieser Luftspalt beispielsweise in der Größen­ordnung von ein paar Zehnteln oder gar Millimetern, macht es keinen Sinn, die Rauigkeit mit einer Wärmeleitpaste aufzufüllen. Wenn Sie den Luftspalt zwischen der Kontaktpaarung im Vorfeld ermitteln, können Sie schnell die infrage kommenden Wärmeleitmaterialien grob klassifizieren.

Tipp 4: Bei Wärmeleitpasten gilt: „Weniger ist mehr“

Die bereits genannten Wärmeleitpasten funktionieren also hervorragend nach dem Moto „weniger ist mehr“. Bei plan gefrästen Kontaktflächen wie bei einer Halbleitermontagefläche auf einem Kühlkörper bieten sich Wärmeleitpasten sehr gut an. Die durch die mechanischen Materialbearbeitung erzeugten Rautiefen bis max. 50 µm füllen Sie mit der Paste auf, wobei Sie stets auf eine homogene Benetzung der gesamten Kontaktfläche achten müssen.

In der Praxis sind allerdings viele Applikationen mit zu viel aufgebrachter Wärmeleitpaste zu beobachten. Überschüssiges Material quillt dann nach der Bauteilmontage an den umlaufenden Flächen heraus. Wärmeleitpasten bestehen aus Silikonölen oder anderen synthetischen Mineralölester, welche oftmals mit elektrisch leitfähigen Metalloxiden, Graphiten- oder auch Keramikpartikeln verfüllt sind.

In der Applikation verflüchtigen sich diese Öle und Ester mit der Zeit und bei höherer Temperatur. Im schlimmsten Fall zerbröseln die überschüssigen Pasten und aufgrund der elektrisch leitenden Füllstoffe können sie gerade bei SMD bestückten Leiterkarten einen Kurzschluss verursachen.

Tipp 5: Graphitfolien sind erstklassige Heat Spreader

Eine weitere Möglichkeit geringe Kontaktspalte thermisch zu überbrücken ist durch Graphit- oder Silikonfolien gegeben. Graphitfolien eignen sich durch ihre anisotrope Gitterstruktur hervorragend als Heat Spread­er zur Wärmespreizung. Graphit­folien besitzen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit in x-, y- und z-Richtung, d. h. parallel und senkrecht in Richtung zur Folienoberfläche.

Die Wärme kleinster bzw. punktförmiger Wärmeeintrittsquellen kann effizient gespreizt und abgeleitet werden. Darüber hinaus sind Graphitfolien äußerst temperaturstabil und behalten ihre Wärmeleitfähigkeit über die gesamte Lebensdauer. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit dieser Folien ist zusätzlich eine Schirmwirkung gegenüber elektromagnetischen Störfeldern gegeben.

Tipp 6: Silikonhaltige oder silikonfreie Folien verwenden

Sie können kleinere Kontaktspalten ebenfalls mittels silikonhaltiger oder silikonfreier Wärmeleitfolien ausgleichen. Diese Folienausführungen sind sehr weich und elastisch. Sie eignen sich daher gut, um Unebenheiten und mechanische Toleranzen zu kompensieren. Zusätzliche Pluspunkte sind durch einen hohen Temperaturbereich, eine hohe elek­trische Durchschlagsfestigkeit, eine gute chemische Stabilität und eine hohe Alterungsbeständigkeit, gegeben.

Je nach Applikation und Anwendung sind die einzelnen Materialien ebenfalls mit einer zusätzlichen Glasfaserverstärkung oder Haftbeschichtung verfügbar. In Summe liefern die silikonhaltigen oder silikonfreien Wärmeleitmaterialien einen sehr guten Kompromiss zwischen thermischer Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit.

Tipp 7: Gel-Wärmeleitfolien sind die Gap Filler für's Grobe

Größere Bauteildifferenzen ab 0,3 mm erfordern den Einsatz von Gel-Wärmeleitfolien (Bild 3), welche umgangssprachlich auch als Gap-Filler bezeichnet werden. Sie sind in Materialstärken von 0,5 bis 8 mm verfügbar und bieten daher eine große Bandbreite zum Ausgleichen unterschiedlicher Un­ebenheiten.

Gel-Folien sind ebenfalls in silikonhaltiger oder -freier Ausführung verfügbar und je nach Härtegrad und Aufbau bis zu 50 Prozent ihrer Materialstärke komprimierbar. In der Applikation müssen Sie Gel-Wärmeleitfolien allerdings vorspannen, d. h. Sie müssen einen definierten Anpressdruck gewährleisten.

Bei richtiger Anwendung beziehungsweise Handhabung liefern Gel-Folien durch das richtige Zusammenspiel von Druck, Kompression, Materialdicke und auszugleichender Toleranz einen thermisch optimalen Wärmeübergangswiderstand.

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

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