Thermische Schnittstellen – Wärmeleitmaterialien

Ahlhorn | 17.12.2020

Funktion von Wärmeleitmaterialien

Wärmeleitende Materialien, genannt Thermal Interface Material (TIM), werden in vielen Bereichen der Elektronik verwendet, in denen eine schnelle und effiziente Wärmeleitung wichtig ist. TIMS füllen Unebenheiten aus und ermöglichen so einen besseren Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper. Typische Anwendungsgebiete sind wärmeempfindliche Bauteile, bei denen ein aktiver oder passiver Kühler zum Einsatz kommt. Es dient als Montagehilfe für Elektronik, Mess- und Regeltechnik und zur verbesserten Wärmeableitung von elektronischen Bauteilen wie Leistungstransistoren.

Arten von Wärmeleitmaterialien

Phasenwechselmaterialien

Das Besondere an Phasenwechselmaterialien (PCMs) ist, dass sie durch die Wärme des arbeitenden Prozessors und einen leichten Klemmdruck von einer festen in eine halbfeste Phase übergehen. Die halbfeste Phase hat die Eigenschaft, sich sehr leicht an beide Oberflächen anzupassen. Die Fähigkeit, die Grenzflächenluftspalte und Oberflächenhohlräume unter leichtem Klemmdruck vollständig zu füllen, ermöglicht diesem Material eine genauso gute Leistung wie Wärmeleitpaste.

Wärmeleitpaste

Wärmeleitpasten bestehen meist aus Silikon, das mit wärmeleitfähigen Füllstoffen angereichert ist. Aushärten ist in der Regel nicht notwendig und sie können fließen und sich perfekt an die Grenzflächen anpassen. Die thermischen Schnittstellen können problemlos nachgearbeitet werden. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass vor dem Einbau des Kühlkörpers ausreichend Paste oder Fett aufgetragen wurde.

Lückenfüller

Eines der größten Marktsegmente der TIMs ist Gap Filler . Diese können in unterschiedlichen Stärken geliefert werden. Diese effizienten, weichen und gut wärmeleitenden Materialien können Lücken bis zu 15 mm abdecken. Die praktischen Gap Filler können mehrere Bauteile unterschiedlicher Höhe abdecken und die Wärme dann an einen gemeinsamen Wärmeverteiler abgeben.

Wärmeleitfolie s

Wärmeleitfolien übernehmen nicht nur die Wärmeübertragung, sondern sorgen auch für die elektrische Isolierung. In Bezug auf Reißfestigkeit und Durchstoßfestigkeit bieten die Thermofolien eine hervorragende Haltbarkeit. In diese Kategorie fallen silikonhaltige und silikonfreie (zB mit Keramik gefüllte Polyurethane) Wärmeleitfolien und Graphitmaterialien. Die Bandbreite an Wärmeleitfähigkeiten und Preisklassen ist breit, sodass jeder eine gute Lösung finden kann.

Thermische Pads

Wärmeleitpads bestehen normalerweise aus unverstärktem Silikon mit leitfähigen Füllstoffen. Verstärkungen für Wärmeleitpads sind typischerweise gewebtes Glas, Metallfolien oder Polymerfolien. Die praktischen Wärmeleitpads sind in der Regel in unterschiedlichen Größen vorgeschnitten, um unterschiedlich große Bauteile aufnehmen zu können. Während Phasenwechselmaterialien und Wärmeleitpaste in Bezug auf die Leitfähigkeit deutlich überlegen sind, haben die Wärmeleitpads den Vorteil, eine kostengünstige und bequeme Option für Anwendungen mit geringerem Kühlbedarf zu sein.

Graphitfolien

Diese kostengünstige Option wird seit langem genutzt. Die Folien sind elektrisch leitfähig und können bei sehr hohen Temperaturen bis 500°C eingesetzt werden. Einige Anbieter richten die Fasern horizontal aus. Dies führt zu sehr unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeitsmessungen. Es gibt Material, das auf der x-Achse 7,0 W/mK und auf der yz-Achse 150,0 W/mK zeigt – ein deutlicher Unterschied.

Doppelseitige wärmeleitende Klebebänder

Thermoband kann aus einem fein gewebten, vernickelten Kupfergewebe bestehen, das sich ungleichmäßigen Montageflächen eng anpasst. Wärmeleitende doppelseitige Klebebänder aus PSA werden sehr häufig verwendet, um kleine Kühlkörper an Bauteilen zu befestigen. Wichtige Faktoren sind hierbei die Schälfestigkeit, die Überlappungs- und Durchstanzfestigkeit, die Haltekraft und der Wärmewiderstand. Was die Leistung in Bezug auf die Wärmeleitung der doppelseitigen Klebebänder angeht, liegt sie im mittleren Bereich. Sie sparen zusätzliche Montageteile, allerdings haben die Riemen Probleme mit unregelmäßigen Oberflächen der Bauteile und sind daher nur eingeschränkt einsetzbar. Kunststoff-ICs sind typischerweise in der Mitte konkav und auch die Kühlkörperoberflächen variieren, was zu Luftspalten in der Schnittstelle führen kann.

Thermische Klebstoffe

Wärmeleitklebstoffe – auch Wärmeleitklebstoffe genannt – können sowohl einkomponentige als auch zweikomponentige Systeme sein. Diese sind mit leitfähigen Füllstoffen ausgestattet. Die Applikation erfolgt in der Regel durch Dosieren oder Schablonendruck. Eine Aushärtung des Klebers ist notwendig, um eine zuverlässige Vernetzung des Polymers zu ermöglichen, welches die Klebeeigenschaft bietet. Der größte Vorteil dieser TIM ist sicherlich die Tatsache, dass die Thermoklebstoffe strukturellen Halt bieten und somit keine mechanische Klemmung erforderlich ist.

Thermogelb

Gele sind ein fettähnliches Material, das leicht vernetzt ist. Entsprechend ähnlich ist das Verhalten, wodurch das Ausbluten des Materials reduziert wird.

TIMs aus Metall

Wärmeleitfähige Materialien aus Metall können in allen möglichen Formen hergestellt werden und sind derzeit nicht mehr auf den Einsatz beim Löten beschränkt. In zahlreichen Anwendungen lassen sich die Metall-TIMs sehr gut nachbearbeiten und auch leicht recyceln.

Anwendungsgebiete von Wärmeleitpaste

Das Hauptanwendungsgebiet von Wärmeleitpaste liegt im Bereich der Elektronik. Darüber hinaus werden Wärmeleitpasten unter anderem in folgenden Branchen eingesetzt:

• IT-Hardware
• Kunststoffindustrie
• Schuhmaschinenindustrie
• Gießereien
• Apparatebau und Laborindustrie
• Holzmaschinenindustrie
• Verpackungsmaschinenindustrie
• Medizinische Technologie
• Allgemeiner Maschinenbau

Konserviert durch den Ausbau der Elektromobilität Wärmeleitpaste n auch im Bereich der Leistungselektronik zunehmend im Automotive-Bereich.

Unsere Broschüre zu Wärmeleitmaterialien

Bei der Auswahl des richtigen Thermomaterials sind sich viele Menschen unsicher, worauf sie genau achten sollen. In unserer Broschüre „Auswahl des richtigen Wärmeleitmaterials“ möchten wir Ihnen alles Wissenswerte zum Thema Heizmaterialien vermitteln.