In meiner vorherigen Kolumne habe ich einige Warnhinweise zu den mit Wärmemanagementprodukten verbundenen „Schwachstellen“ hervorgehoben, insbesondere zu den Entscheidungen, mit denen Sie konfrontiert werden, wie welches Material oder welcher Produkttyp – Pad oder Paste – für Ihre Anwendung am besten geeignet ist. In dieser Kolumne möchte ich aufzeigen, wie wichtig die richtige Auswahl ist, und was andernfalls für Konsequenzen drohen.
Es stehen eine Vielzahl von Materialien und Methoden zur Auswahl, die je nach den physischen Einschränkungen der Anwendung, dem Layout der Komponenten und der Baugruppengeometrie, der Umgebung, in der die Baugruppe eingesetzt werden soll, dem Schweregrad der Beanspruchung usw. unterschiedlichen Zwecken dienen. Darauf folgend sind noch einige spezifischere Fragen zu stellen, z. B.: Welche Wärmeleitfähigkeit wird benötigt oder wie viel Material wird an der Schnittstelle zwischen Bauteil und Kühlkörper benötigt, um eine thermisch stabile Baugruppe zu erzielen?
Wenn Sie das kleinste Detail übersehen, könnte die Leistung Ihrer elektronischen Baugruppe beeinträchtigt werden. Offensichtlich beeinträchtigt ein schlechtes Wärmemanagement die Effizienz einer sicheren Wärmeableitung von den Bauteilen weg und aus der Baugruppe heraus.
Wenn die Temperatur einer Komponente ansteigt und ihre Gleichgewichtstemperatur erreicht, entspricht die Geschwindigkeit des Wärmeverlusts pro Sekunde der in der Komponente pro Sekunde erzeugten Wärme. Diese Temperatur kann hoch genug sein, um die Lebensdauer der Komponente erheblich zu verkürzen oder sogar zum Ausfall des Geräts zu führen, sofern keine angemessenen Wärmemanagementmaßnahmen ergriffen werden.
Gleiches gilt selbstverständlich für komplette Schaltkreise und Geräte, in denen sich einzelne wärmeerzeugende Komponenten befinden. In diesem Fall wird es mit ziemlicher Sicherheit zu einer Überhitzung unzureichend thermisch abgeleiteter Komponenten kommen, was sich negativ auf umgebende Komponenten auswirken, zu einer verringerten Lebensdauer oder im schlimmsten Fall zum vollständigen Ausfall dieser Komponenten führen kann.
Eine verringerte Zuverlässigkeit aufgrund von thermisch bedingten Schaltkreisausfällen kann sich nachteilig auf den Ruf der Marke auswirken. Was aber, wenn die Anwendung eine „kritische“ Rolle spielte? Solche Anwendungen können ein sicherheitsrelevantes Gerät umfassen, von dem die Sicherheit des in einer gefährlichen Umgebung arbeitenden Personals abhängen kann, eine, die ohne ausreichendes Wärmemanagement schlicht nicht funktionieren würde, ein Gerät, das im Betrieb einen definierten Betriebstemperaturbereich aufweist, oder eines, das für raue oder extreme Bedingungen ausgelegt ist und das unabhängig von diesen Bedingungen zuverlässig arbeiten muss.
Silikon oder kein Silikon?
Traditionell stellen Silikone immer eine Lösung für höhere Temperaturen dar und bieten im Vergleich zu anderen chemischen Zusammensetzungen eine höhere Stabilität bei Temperaturen über +150 °C. Neuere Entwicklungen haben jedoch die Kluft zwischen der thermischen Leistung von Silikonen und manchen silikonfreien Materialien verringert, wobei neue silikonfreie Produkte auf dem Markt eine hervorragende Stabilität bei Temperaturen bis zu +180 °C bieten.
Silikone bieten nicht nur eine ausgezeichnete Hochtemperaturleistung, sondern auch eine sehr gute Umgebungsstabilität, insbesondere, wenn elektronische Geräte in Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit betrieben werden. Ihre geringe Viskosität gewährleistet einen guten Materialfluss, eine optimale Abdeckung der Komponenten und macht sie zu einer hervorragenden Wahl für den Auftrag per Sieb- und Schablonendruck.
Silikone haben zwar einige klare thermische Vorteile gegenüber silikonfreien Technologien, weisen jedoch einige Problempunkte auf, von denen eines als „Migration“ bezeichnet wird. Dies tritt auf, wenn flüchtige, niedermolekulare Siloxane aus dem Silikon freigesetzt werden, was zu Problemen in der Umgebung führt. In der Elektronik führt die Migration zur Bildung von Siliciumcarbid auf Leiterplattenoberflächen, was Ausfälle zur Folge hat.
In der weiteren Umgebung können Ablagerungen von niedermolekularen Siloxanen auf Oberflächen von anderen Bauteilen in der Produktion zu Problemen mit der Haftfähigkeit von Oberflächenveredelungen führen – besonders die Qualität von Lacken kann beeinträchtigt werden. Solche Siloxane können über die Belüftungs- bzw. Abluftsysteme auch aus Produktionsanlagen austreten und die Problematik weiterverbreiten, sodass in einigen Fällen in bestimmten Produktionsstätten ein Verbot silikonhaltiger Materialien besteht.
Die Nachfrage nach silikonfreien Produkten steigt stetig, was unter anderem an dem weltweiten Silikonmangel liegt, der Lieferanten dazu zwingt, Preiserhöhungen an die Kunden weiterzugeben. In der Tat warnen einige Hersteller silikonhaltiger Wärmemanagementprodukte vor Preiserhöhungen von bis zu 25%.
Möglicherweise ist es das exponentiellen Wachstum des globalen LED-Marktes, das den Trend silikonfreier Lösungen beflügelt, da die langfristige Zuverlässigkeit von Silikonen in LED-Anwendungen derzeit in Frage steht*. Silikonfreie Wärmemanagementlösungen bieten eine leistungsstarke Alternative zu Silikonmaterialien und somit Herstellern wie denen in der LED-Beleuchtungsindustrie eine sofortige Einstiegslösung.
Die „Neuen“
Wärmeleitpasten stehen bei Wärmemanagementanwendungen an vorderster Front und werden dies voraussichtlich auch in den kommenden Jahren bleiben. Sie sind einfach aufzutragen und nachzubearbeiten und bieten gleichzeitig eine kostengünstige Alternative zu wärmeleitenden Klebeprodukten wie z. B. RTVs und Zweikomponenten-Epoxiden.
Wärmeleitpasten bieten einige der niedrigsten auf dem Markt verfügbaren Wärmewiderstandswerte für thermal Interfaceanwendungen. In den letzten Jahren ist jedoch ein neuer Rivale für diese Materialtechnologie in Erscheinung getreten – Phasenwechselmaterialien. Wie Pasten, können auch Phasenwechselmaterialien sehr dünn aufgetragen werden und bieten daher einen außergewöhnlich niedrigen Wärmewiderstand. Ein Hauptvorteil der Phasenwechseltechnologie ist der erheblich reduzierte „Pump-Out-Effekt“. Dadurch sind Phasenwechselmaterialien eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen mit hohen Temperaturschwankungen.
Da das Wärmemanagement in der Elektronik eine immer wichtigere Rolle spielt, werden diese neuen Phasenwechselmaterialien aufgrund ihrer Stabilität voraussichtlich eine führende Rolle in der Wärmemanagementtechnologie einnehmen. Und bei der hohen Entwicklungsgeschwindigkeit dieser Technologie wird dies eher früher als später seine Wirkung zeigen.
*Weitere Informationen zu der Verwendung von Silikonen in LED-Anwendungen finden Sie hier.
