Thermische Managementmaterialien: Die wichtigsten Richtlinien

In diesem Folgeartikel von Jade Bridges zu thermischen Managementmaterialien gibt sie Empfehlungen zu Materialtypen und der jeweiligen Anwendung. Sie geht auf die Fragen ein, die Sie sich stellen sollten, bevor Sie sich für einen Materialtyp für eine bestimmte Anwendung und die entsprechende Auftragung entscheiden.

Die Auswahl eines thermischen Managementmaterials mit einem breiten Anwendungsgebiet für eine bestimmte elektronische Baugruppe und die erwarteten Betriebsbedingungen ist auf jeden Fall ein guter Anfang. Aber, wie so oft in solchen Dingen, steckt der Teufel im Detail! Es stehen sehr viele Materialien und Methoden zur Auswahl, die jeweils abhängig von den physischen Einschränkungen ihrer Verarbeitbarkeit einen bestimmten Zweck erfüllen. Unter anderem haben die Umwelt- und Einsatzbedingungen, das Layout der Komponente und die Geometrie der Baugruppe Auswirkungen auf die Leistung.

Die erste Frage, die Sie sich stellen sollten ist:

welches thermisches Managementprodukt sollte ich für den Auftrag berücksichtigen und auf was sollte ich beim Auftrag achten?

Thermische Managementmaterialien können in fünf verschiedene Gruppen eingeordnet werden, die sich jeweils abhängig von der spezifischen Materialzusammensetzung und Rezeptur noch weiter unterteilen. Dazu gehören: aushärtende und nicht aushärtende Pasten, haftende Materialien/Klebstoffe, Gießharze, wärmeleitende Gap-Filler/-Pads und Phase-Change-Materialien.

Nicht aushärtende Pasten sind zum Beispiel ideal für Anwendungen, die ein späteres Nachbearbeiten oder die Möglichkeit der Reparatur erfordern. Sie enthalten eine Reihe verschiedener Basisöle für die jeweils gewünschten Eigenschaften, wie z. B. einen breiten Betriebstemperaturbereich, den Produkte auf Silikonbasis bieten. Durch Fortschritte im Bereich silikonfreier Technologien in der letzten Zeit kamen Produkte mit höherer Wärmeleitfähigkeit und erheblich vermindertem „Ölbluten“ und „Gewichtsverlust durch Verdunstung“ auf den Markt.

Allgemein sollten nicht härtende Produkte so dünn wie möglich und ohne Überschuss aufgetragen werden, und das Produkt muss gut vermischt sein, um einen Ölaustritt zu verhindern. Die goldene Regel ist hierbei, sich nicht dazu verleiten zu lassen, dickere Schichten aufzutragen – denn das verbessert nicht das Ergebnis sondern kann sogar Probleme verursachen. Denken Sie immer daran, dass die Dicke des Wärmeleitmaterials bestimmt, wie schnell die Wärme abgeleitet wird, je mehr Material über die erforderliche Mindestmenge hinaus aufgetragen wird, desto langsamer die Wärmeableitungsrate.

Wenn eine Nachbearbeitung während der Betriebszeit der Baugruppe eher unwahrscheinlich ist, können Sie über die Anwendung eines aushärtenden/klebenden thermischen Managementprodukts nachdenken. Bei aushärtenden Produkten oder Materialien, die für eine vereinfachte Verarbeitbarkeit Lösungsmittel enthalten, muss die Verarbeitungszeit des Produkts berücksichtigt werden. Wenn das Material beispielsweise schnell handtrocken wird, ist es für Schablonendruck eher ungeeignet, da das ausgehärtete Material das Sieb verstopfen kann.

Um dieses Problem zu vermeiden, sollte man darauf achten, dass die Maschengröße des Siebes für die Partikelgröße der Paste geeignet ist und dass mit dem Sieb eine Paste in der entsprechenden Dicke verarbeitet werden kann. Wenn Sie außerdem eine automatische Dosiervorrichtung verwenden, ist das Punktprofil und die Menge der Paste zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass auch eine Mindestmenge an Material aufgetragen werden kann.

Ein klebendes Wärmeleitmaterial kann erforderlich sein, wenn ein Kühlkörper fest an Ort und Stelle gehalten werden muss, ohne dass Befestigungen verwendet werden können. In diesem Fall ist es wichtig, die richtige Haftkraft zu erzielen, da sich sonst der Kühlkörper lösen oder verschieben kann, wenn die Baugruppe Stößen oder Vibrationen mit hoher Amplitude ausgesetzt wird. Eine weitere Alternative ist die Verwendung thermischer Gap-Pads, welche vorher auf die richtige Größe geschnitten und dann sauber und überschussfrei manuell befestigt werden – ohne dass eine Dosiervorrichtung erforderlich ist. Gap Pads bewegen sich bei thermischer Belastung nicht, sodass sie im Gegensatz zu vielen Wärmeleitpasten nicht dem „Pump Out“-Effekt unterliegen.

Bei Gap-Pads ist jedoch daran zu denken, dass sie eine dickere Schicht bilden und deshalb zu einem höheren thermischen Widerstand neigen. Pads funktionieren am Besten in Anwendungen, in welchen Druck auf die Schnittstelle aufgebracht wird. Denn dann wird die Schichtdicke minimiert und ein höchstmöglicher Kontakt mit dem Gap-Pad sichergestellt. Dieser Druck sorgt dafür, dass das Pad-Material in Lufteinschlüsse gedrückt wird, alle Unebenheiten verfüllt und der thermische Widerstand verringert wird.

Eine andere Option zur Wärmeableitung von elektronischen Geräten ist die Verwendung einer wärmeleitfähigen Vergussmasse. Diese Produkte dienen dem Schutz vor umweltbedingten Einwirkungen und sie erlauben gleichzeitig eine Wärmespreizung und die Ableitung der im Gerät erzeugten Wärme an seine Umgebung. Vergussmassen umfassen auch die Nutzung von wärmeleitfähigen Füllstoffen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Das Grundharz, der Härter und andere verwendete Zusatzstoffe können jedoch abgeändert werden, um eine große Bandbreite an Optionen zu bieten.

Die gesamte Leiterplatte kann mit der Vergussmasse abgedeckt werden und die erforderliche Harzmenge wird durch den gewünschten Schutzgrad und andere Faktoren bestimmt, wie z. B. Gewicht- und Volumenzuwachs durch das Harz. Außerdem ist sicherzustellen, dass es im ausgehärteten Harz keine Lufteinschlüsse gibt, da dies die elektrischen Eigenschaften und Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt. Wie bei allen Harzen ist es wichtig, dass das Mischungsverhältnis exakt eingehalten wird und dass das Produkt in einer luftfreien Mischmethode gründlich gemixt wird.

Außerdem ist der Untergrund und die vorgesehene Dicke des haftenden thermischen Übergangs zu berücksichtigen. Welche Eigenschaften weist der Untergrund auf? Sind die Spaltmaße an der Schnittstelle bekannt? Kontaktflächen und -drücke können sich sehr unterscheiden. Und es muss auf jeden Fall sichergestellt werden, dass keine Luft auf der Oberfläche eingeschlossen ist, da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist. Selbst winzige Lufteinschlüsse an der Schnittstelle – möglicherweise durch schlecht aufeinanderpassende Flächen, ungenaue Auftragung des Wärmeleitmaterials oder größere Abstände als berechnet – können zu einer erheblichen Einschränkung der Wärmeleitfähigkeit führen.

Legen Sie fest, ob bei Ihrer Anwendung ein dünn aufzutragendes Wärmeleitmaterial erforderlich ist, wie z. B. eine Paste, oder ob ein dicker aufzutragender Gap-Filler benötigt wird, welcher normalerweise dicker als 500 µm aufgetragen werden kann. Bei jedem wärmeleitenden Material müssen Sie durch Auftragung einer geeigneten Menge des Materials in die Mitte der Kontaktfläche zwischen Gerät und Wärmeableiter sicherstellen, dass die vorhandene Schnittstelle vollständig gefüllt wird und keine Luft mehr vorhanden ist. Sobald der Kontaktdruck erhöht wird, wird überschüssiges Material herausgedrückt.

Letztendlich müssen Sie über Ihre bevorzugte Auftragsmethode nachdenken: erfolgt das Auftragen manuell mit Spritzen, oder semi- bzw. vollautomatisch mit hochmodernen Dosiervorrichtungen? Auch Siebdruck ist eine Option, die eine Überlegung wert ist.

Wie auch bei der Materialauswahl ist es ratsam, in Bezug auf die Entscheidung für eine Verarbeitungsmethode einen Experten zu konsultieren. Sprechen Sie uns an! Wir haben einen globalen technischen Kundendienst, der Ihnen bei der Auswahl des richtigen Produkts und der einfachsten Methode der Verarbeitung gerne mit Rat und Tat zur Seite steht; unser Ziel ist die Sicherstellung eines gestrafften Fertigungsprozesses und die Bereitstellung von effizienter Wärmeübertragung sowohl bei Erstanwendung als auch letztendlich im alltäglichen Betrieb. Wir lieben die Herausforderung! Wenn Sie also ein spezielles Problem im Bereich thermisches Management haben, schreiben Sie unserem Kundendienst eine E-Mail oder eine kurze Nachricht im Chat.