Interface-Material / TIM

Interface-Material / TIM

Luft ist mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur 0,0263 W/mK ein denkbar schlechter Wärmeleiter. Aus diesem Grund existiert eine Reihe an Materialien für den Übergang zwischen Wärmequelle und Kühlkörper. Dieses Kontaktmaterial in Form von Pasten, Klebern, Pads, Folien oder speziellen Phase-Change-Materialien weist einen sehr geringen thermischen Widerstand auf und wird direkt zwischen den Bauteilen aufgebracht. Je nach Oberflächengüte und zu erwartender Temperatur werden bestimmte Schichtstärken und Materialien vorausgesetzt.

Bedeutung im System

Die Leistungsfähigkeit eines Systems wird nicht allein durch die vorhandene Kühlleistung der Komponenten beeinflusst, sondern ebenso durch die Übergänge der einzelnen Bauteile zueinander. Thermal Interface Materials (TIM, Wärmeleitmaterialien) stellen sicher, dass Wärme effizient abgeführt und lokale Temperaturüberlastungen verhindert werden. Wärmeleitmaterialien füllen außerdem kleinste Zwischenräume oder Unebenheiten auf den Kontaktflächen, sodass die Möglichkeit der Wärmeübertragung zwischen jeder Komponente gegeben ist. Wärmeleitpaste ist als relativ kostengünstige Lösung in Elektronik, Motorenbau und bei Heiz- und Kühlgeräten weit verbreitet. Sie weist eine Wärmeleitfähigkeit von 2 bis 10 W/mK auf. Für anspruchsvollere Zwecke ist es jedoch notwendig, auf thermisch leitfähigere Materialien und Techniken zu setzen, wie zum Beispiel Folien oder Kleber.

Arten und Eigenschaften

Es gibt eine Vielzahl an Möglichkeiten, um beispielsweise Toleranzen, Unebenheiten oder Rauheiten auszugleichen und Kontaktflächen mit Interface-Materialien nahezu luftdicht miteinander zu verbinden. Dabei sind aber durchaus ein paar Faktoren zu beachten, denn kein Material eignet sich gleichermaßen als universelles Medium.

Im Großen und Ganzen kann zwischen drei Arten von TIMs unterschieden werden:

Wärmeleitpasten

Wärmeleitpasten weisen meist eine keramische Basis auf, welche mit mikroskopisch kleinen Partikeln aus Aluminiumoxid, Bornitrid und Zinkoxid versetzt ist. Meist frei von Silikon und durch Zugabe mehrerer spezieller, synthetischer Öle wird eine Langzeitstabilität erreicht und überdurchschnittliche Performance garantiert.

Bei der Erwärmung in der Inbetriebnahme verringert sich die Viskosität des TIM. Dadurch werden kleinste Oberflächenrauheiten ausgefüllt und schädliche Lufteinschlüsse verdrängt. In den ersten 20-30 Betriebsstunden verfestigt sich die Paste und verhindert so durch Temperaturschwankungen bedingte Ausdehnungen. Mit einem Temperaturbereich von -40 bis 180 Grad Celsius ist Wärmeleitpaste für einen Großteil der Einsatzgebiete geeignet.

Anwendung findet Wärmeleitpaste überall dort, wo eine effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten erreicht werden soll. Beispielsweise zwischen einem Mikrochip und einem Kühlkörper.

Wärmeleitfolien / Spezialfolien

Gerade im Bereich der Leistungselektronik werden häufig höhere Anforderungen an die Wärmeableitung und auch Durchschlagsfestigkeit gestellt. Wärmeleitfolien gibt es in verschiedensten Ausführungen mit vielfältigsten Eigenschaften. Bestehend aus Materialzusammensetzungen, auf der Basis von zum Beispiel Polyamid, Silikon oder Kohlenstofffasern ist für nahezu jeden Anwendungszweck etwas dabei.

Die wichtigsten Vertreter unter den Spezialfolien sind Graphit-Wärmeleitfolien. Sie können in einem breiten Temperaturbereich von -200 bis zu +600 Grad Celsius eingesetzt werden. Zusätzlich weisen sie hervorragende elektrisch sowie thermisch leitende Charakteristika auf. Mit einer Wärmeleitfähigkeit quer zur Faser von 5-16 W/mK bzw. in Faser-Richtung zwischen 155-470 W/mK leiten sie die Wärme effizient und zielgerichtet ab. Jedoch benötigen sie eine gewisse Anpresskraft.

Wärmeleitkleber

Wärmeleitende Klebstoffe basieren auf einer Kunstharzmasse, welche mit metallischen Füllstoffen wie Silber oder Graphit angereichert ist. Dadurch wird ein optimaler Wärmeleitwert erzielt und gleichzeitig eine Fixierung des Kühlkörpers gewährleistet. Um elektrische Leitfähigkeit durch das Wärmeleitmaterial zu verhindern, können statt metallischer Stoffe keramische oder mineralische Materialien beigemengt werden. Bei einer Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 4 W/mK können Maximaltemperaturen von bis zu 250 Grad Celsius aufgenommen und abgeleitet werden.

Der große Vorteil an Klebeverbindungen gegenüber Schweißen oder Löten liegt in der einfachen Möglichkeit, verschiedenste Materialien miteinander zu verbinden. Die Medien härten bei Raumtemperatur aus, sodass mechanische Verspannungen oder Verformungen in der Regel nicht auftreten.

Eingesetzt wird diese Art thermisch leitender Klebstoffe in den Bereichen der Mikro- und Leistungselektronik, Sensor- und Energietechnik sowie der Automobilbranche, um dauerhafte, mechanische und wärmeleitende Verbindungen zwischen einzelnen Komponenten zu schaffen.

Darüber hinaus gibt es noch Sonderformen der bereits erwähnten Materialien, aber auch andersartige Möglichkeiten, die nur zum Teil an die Hauptarten anlehnen, wie zum Beispiel:

Phase-Change-Material (PCM) / PCM-Siebdruck

Für den Anwendungsfall, dass konventionelle Wärmeleitpaste nicht genutzt werden kann, würde möglicherweise das Auftragen von PCM in Frage kommen. Bei Raumtemperatur ist dieses Material trocken und formbar. Es besitzt die Eigenschaft, erst im eingebauten Zustand bei einem Druck von >20N/cm² und circa 45 Grad Celsius die Phase zu ändern und flüssig zu werden. So füllt es Hohlräume und Spalten optimal aus und gewährt dadurch beste Wärmeübertragung. Der Einsatz von konventioneller Wärmeleitpaste (WLP) wird dadurch hinfällig.

Außerdem wird durch ein spezielles Siebdruckverfahren eine Massenproduktion von beschichteten Bauteilen ermöglicht. Dadurch wird das Phase-Change-Material (PCM) im Direktdruck auf die einzelnen Elemente aufgedruckt.

Keramik- / Wärmeleitscheiben

Wärmeleitscheiben aus Keramik dienen aufgrund ihrer induktionsarmen Eigenschaft in erster Instanz als Isolator. Sie ermöglichen eine galvanische Trennung und bieten zugleich hervorragende Wärmeleiteigenschaften bei Korrosions- und Verschleißbeständigkeit.

Zusätzlich ist Aluminiumoxid-Keramik bis zu 4.000 MPa druckfest und bis zu einer Einsatztemperatur von 1.000 bis 1.500 Grad Celsius stabil. Isolierscheiben aus glasfaserverstärktem Silikon sind selbstklebend, schwer entflammbar und können ohne Wärmeleitpaste installiert werden. Sie bieten jedoch nur einen mittelmäßigen Wärmeleitwert. Da sie sich elastisch an die Oberfläche anpassen, können hier grobe Unebenheiten überbrückt werden. Aufgrund der schwachen thermischen Leitfähigkeit und der fertigungsbedingten Mindestdicke ist diese Folie für große Leistungsdichten und somit für die Peltiertechnik nicht geeignet.

Wärmeleitendes Epoxidharz

Die durch verschiedene Bauteile verursachten Unebenheiten auf einer Platine verhindern in vielen Fällen, dass ein ebener Kühlkörper angebracht werden kann. Wärmeleitendes Epoxidharz sorgt dafür, dass Wärme aus unterschiedlich hohen Wärmequellen einheitlich an Gehäuse oder Kühllösung weitergegeben wird. Sogenannte Vergussmasse besteht in der Regel aus konventionellem Epoxidharz mit Beimengungen aus wärmeleitenden Metallen, wie zum Beispiel Aluminium. Wichtig hierbei ist, dass die Elektronik vor der Anwendung ausreichend isoliert wird, etwa mit PU-Lack.

Durch den Metallanteil ist wärmeleitendes Epoxidharz elektrisch leitfähig. Dieser Tatsache kann jedoch mit einer Beimengung von keramischen oder Zusatzstoffen entgegengewirkt werden. Während Epoxidharz-Vergussmassen weniger hitzebeständig sind, können silikonbasierende Produkte Temperaturen von mehr als 180 Grad Celsius ableiten. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Stoffes hängt von der jeweiligen Zusammensetzung ab und schwankt zwischen 1 und 7,5 W/mK.

Unterschiedliche Materialien und Zusammensetzungen dieser Hauptgruppen sorgen dafür, dass sich für nahezu jeden Verwendungszweck eine optimale Lösung zur Überbrückung von wärmeabführenden Komponenten finden lässt. Diese Stoffe unterscheiden sich zum Beispiel in Schichtstärke, Wärmeleitfähigkeit oder elektrischer Isolation.

Welches Schnittstellenmaterial sich für welchen Einsatz eignet, hängt im Wesentlichen von folgenden Materialeigenschaften ab:

• Wärmeleitfähigkeit
• Widerstand (thermisch)
• Toleranzen der Kontaktpaare
• Temperaturempfindlichkeit
• Impedanz (thermisch)
• Umweltverträglichkeit

Vor- und Nachteile

Elektronische Bauteile generieren je nach Anwendungsfall teilweise hohe Verlustleistungen, welche sich in Form von Wärme äußern. Diese muss abgeführt werden, wobei nicht jede Art der Wärmeübertragung für jedes Anwendungsfeld geeignet ist. Deshalb existiert eine Reihe unterschiedlicher Methoden, um zwei Bauteile sowohl mechanisch als auch thermisch miteinander zu verbinden und dort entstehende Wärme effizient nach außen abzuführen. Die TIM unterscheiden sich in Wärmeleitfähigkeit und Schichtstärke voneinander. Zudem sind manche Materialien nicht nur zuverlässiger oder in der Lage, Hohlräume auszufüllen, sondern lassen sich außerdem nachträglich verändern, beziehungsweise verformen.

Korrektur einer mangelhaften Kühllösung

Nach dem Aufbau einer passiven Kühllösung stellt sich oftmals heraus, dass diese nicht ausreichend dimensioniert ist. Hierfür gibt es zwei Lösungsansätze:

• Der Kühlkörper kann erweitert werden, sodass eine größere Fläche für die Konvektion zur Verfügung steht, beziehungsweise im gleichen Zug mehr oder effizientere Lüfter montiert werden können.
• Ein Peltier-Element kann eingesetzt werden. Diese komplizierte Variante kommt dann zum Tragen, wenn zum Beispiel eine Vergrößerung des Kühlkörpers aufgrund Platzmangels nicht in Frage kommt. Es ist zu beachten, dass ein Peltier-Element Energie aufnehmen muss, um den Peltiereffekt anzutreiben. Diese Energie wird dem bereits überlasteten Kühlkörper zugeführt, wodurch sich dieser weiter aufheizt. Der Temperaturhub wird vergrößert. In der Praxis bedeutet dies, dass in diesem Arbeitspunkt das Verhältnis aus abgeführter Energie zur Betriebsenergie größer als 1 sein muss.

Wichtig:

Ist ein Kühlkörper zu schwach ausgelegt, so ist es in der Regel physikalisch nicht möglich, diese in der Planung verursachte Verfehlung mit Peltier-Elementen zu korrigieren.

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