Wärmeleitmaterialien (Thermal Interface Materials) und ihre Vorteile

Der Betrieb elektronischer Bauteile, insbesondere in der Leistungselektronik, erzeugt Wärme, die abgeführt werden muss. Andernfalls entstehen Leistungsverluste, die zu Schäden in der Elektronik führen. Üblicherweise werden diese Bauteile daher mit Kühlkörpern, Kühlplatten, Heat Pipe Systemen oder Wärmetauschern gekoppelt. Durch mechanische Toleranzen, Unebenheiten sowie Rauigkeiten an den Oberflächen der Bauteile und Kühlkörper verbleiben nach der Montage jedoch immer Lufteinschlüsse, die den Wärmeübergang stark behindern. Wärmeleitmaterialien (engl. Thermal Interface Materials: TIMs) schließen diese Lücken. Dank ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit sowie ihrer Kontaktfähigkeit an die Oberflächen helfen sie, die Wärme schnell von den Wärmequellen auf die Kühlkörper zu übertragen.

Wärmeleitmaterialien (engl. Thermal Interface Materials: TIMs) ermöglichen eine effiziente Ableitung von Wärme, die in elektrischen Bauteilen während des Betriebs entsteht. Sie verhindern so eine potenziell schädliche Überhitzung, die sich durch die bloße Verwendung von Kühlkörpern nicht vermeiden lässt. Denn bei der thermischen Verbindung von zwei unterschiedlichen Oberflächen (etwa ein Transistor und ein Kühlkörper), liegt die effektive Kontaktfläche aufgrund unausbleiblicher Unebenheiten der Oberflächen deutlich im niedrigen Prozentbereich – meist sind es weniger als zehn Prozent. Im Umkehrschluss heißt dies: Weit über 90 Prozent des Restes besteht aus Lufteinschlüssen, die aufgrund der geringen Leitfähigkeit von Luft nahezu keine Wärme ableiten. An diesen Stellen ist der thermische Widerstand folglich sehr hoch. TIMs gleichen solche Spalte und Unebenheiten aus und sorgen mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit dafür, dass Wärme schnell und effizient an die Kühlkörper weitergeleitet wird.

Zudem gibt es auch Wärmeleitmaterialien, die eine zuverlässige elektrische Isolation zwischen Kühlkörper und dem unter elektrischem Potential stehenden Bauteil herstellen können oder Phasen-Wechsel-Materialien, die beim Schmelzen während des Übergangs von einer festen in eine flüssige Phase in der Lage sind, den thermischen Kontakt durch vollflächige Benetzung zu optimieren. Wärmeleitfähige Elastomere – beispielsweise Gap Filler und Gap Filler Pads – schmiegen sich ideal an die Oberflächen an und können große Spalte sogar im Bereich von mehreren Millimetern thermisch überbrücken.

Die beiden am häufigsten verwendeten Wärmeleitmaterialen (engl. Thermal Interface Materials: TIMs) sind Wärmeleitpasten und Gap Filler.

Die flüssigen oder pastösen Pasten füllen unvermeidliche Rauigkeiten und Unebenheiten zwischen Leistungsbauteil und Kühlkörper. Sie minimieren den thermischen Kontaktwiderstand und ermöglichen so eine effizientere Wärmeableitung. Die Zusammensetzung von Wärmeleitpasten ist abhängig vom Anwendungsfall. Ihr Nachteil: Sie sind dauerhaft fluid und nur mit großem Aufwand prozesssicher aufbringbar. Die Gefahr des Verschmierens sowie des Auspumpens im Betrieb ist groß. Unter dem Gesichtspunkt des Robust Designs ist der Einsatz daher in Anwendungen, die mechanischen Schocks und Vibrationen ausgesetzt, kritisch zu sehen.

Im Gegensatz dazu bestehen Gap Filler aus weichen, hoch wärmeleitenden elastischen Polymeren – meist zweikomponentig sowie form-in-place aushärtend oder in fester Form als Pads. Gegenüber Pasten sind sie individuell formbar und kommen daher häufig zum Einsatz, wenn große Lücken gefüllt werden müssen (bis über zehn Millimeter) oder mehrere Bauteile unterschiedlicher, nicht planarer Höhe abgedeckt werden sollen, um Wärme in eine gemeinsame Wärmesenke abzuleiten. Durch ihre Zuverlässigkeit und elastischen Eigenschaften eignen sie sich gut für Anwendungen, die hohem mechanischem Stress ausgesetzt sind.

Andere Varianten von TIMs sind etwa als Kleber, Folien, Filme oder Vergussmassen erhältlich.

Wärmleitmaterialien (engl. Thermal Interface Materials: TIMs) kommen überall dort zum Einsatz, wo die Wärme von Leistungselektronik über Kühlkörper abgeleitet werden soll, um die Funktionsfähigkeit eines Produktes zu erhalten. Beispielsweise:

• im Automotivebereich (z.B. Infotainment, Assistance und Conveniance, Steuergeräte, Bus Controller, Servomotoren, Leistungshalbleiter, Batterien und Ladegeräte für E-Mobilität, usw.),
• in der Avionik (z.B. Fly-by-Wire-Flugsteuerungen, elektronische MCD, Radarsysteme und militärische Anwendungen),
• in allen Bereichen der IT-Technik (z.B. Notebooks, Industriecomputer, Router, Server, Speicher, Grafikkarten, Treiberchips, Gaming),
• der Energieerzeugung (z.B. Wechselrichter, Induktivitäten),
• in der Medizintechnik,
• oder im Bereich Consumer Electronic.

Die Zusammensetzung von Wärmleitmaterialien (engl. Thermal Interface Materials: TIMs) hängt von den thermischen Anforderungen des Anwendungsfalls sowie dem Mission Profile der Applikation ab und wird zudem vom Betriebstemperaturbereich bestimmt. Häufig enthalten Wärmeleitmaterialien Silikon als Basismatrix. Bei sensibler elektrischer Kontaktierung oder anderen kritischen Anforderungen (beispielsweise der Gefahr einer Lackabweisung) dürfen jedoch keine TIMs auf Basis von Silikon verwendet werden. Denn deren Ausgasungen können Schäden verursachen. In diesen Fällen kommen TIMs zum Einsatz, die aus silikonfreien Polymeren bestehen.

Um die gewünschten wärmeleitenden Eigenschaften zu erreichen, werden TIMs je nach gewünschter Anforderung beispielsweise mit Keramikpulvern aus Zinkoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid, Bornitrid oder Metallpulvern aus Aluminium, Kupfer, Graphit und Silberpartikel u.a. gefüllt.

Für den professionellen Einsatz muss das optimale TIM auf die spezifische Anwendung ausgewählt werden. Dafür ist eine eingehende Design-In Beratung notwendig. Diese bildet die Basis für ein effizientes Wärmemanagement und damit die sichere Funktion sowie lange Lebensdauer elektronischer Bauteile. Bei HALA finden Sie eine große Auswahl an TIMs – ob isolierend oder elektrisch leitend.

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