Durch das Fließen von großen elektrischen Strömen entsteht Verlustwärme. Eine Faustregel besagt, dass eine Temperaturerhöhung von 10°C die mittlere Lebensdauer eines Bauteiles halbiert! Ziel des Thermal Managements ist es, eine effektive Wärmeableitung der Verlustwärme vom Halbleitermaterial an die Umgebung zu gewährleisten. Somit wird die Lebensdauer Ihrer Geräte oder Bauteile verlängert.

Die CMC Klebetechnik bietet eine umfangreiche Palette wärmeleitender Elektroisolationsfolien an, die gleichzeitig als galvanische Isolation in der Leistungselektronik wirken. Weitere Informationen zum Thermal Management, Wärmetransport und Wärmeleitfähigkeit finden sie hier.

Wärmeleitfolien und Klebebänder

Wärmeleitfolien & Klebebänder

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Gefüllte Polyimidfolie von CMC haben bei geringer Stärke eine hervorragende Spannungsfestigkeit und widerstehen hohen Temperaturen. Die Folie ist elastisch und unempfindlich gegenüber punktuellen Belastungen. Es gibt sie selbstklebend und mit Wärmeleitwachs beschichtet. Kapton® MT  ist eine gefüllte Polyimidfolie.

Ebenfalls in unserem Produktprogramm: die wärmeleitenden Klebebänder der TR-Serie von Nitto.

Graphit- und Metallfolien von CMC sind elektrisch und thermisch leitend. Graphitfolien haben eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit, sind jedoch gegenüber punktuellen Belastungen und Biegungen sehr empfindlich. Kupfer- oder Aluminiumfolien werden als Wärmespreizer (Ableiten der Wärme vom Hotspot) verwendet. Auch diese Folien können mit Klebstoff oder Wärmeleitwachs beschichtet sein.

Silikonfolien zur Wärmeleitung

Wärmeleitende Silikonfolien

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Silikonfolien sind wärmeleitende Isolationen im Dickenbereich von 0,2 mm bis 1 mm. Sie sind relativ hart und eignen sich vor allem auch als wärmeleitende Isolation. Der gefüllte Silikonkautschuk passt sich bei ausreichendem Druck sehr gut auch an raue Oberflächen an. Der Wärmeübergangswiderstand wird dadurch merklich reduziert. Unterschiedliche Härtegrade und Materialstärken ermöglichen eine gute Anpassung der Silikonfolie an die jeweilige Einbausituation. Wärmeausdehnungsunterschiede werden ausgeglichen und Vibrationen können gedämpft werden.

Gap-Filler

Gap-Filler

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Sogenannte „Gap-Filler“ (zu Deutsch also „Lücken-Füller“) werden eingesetzt, wenn die Distanz zwischen Kühlköper und Bauteil groß wird. Gap-Filler sind von 1 mm bis 10 mm erhältlich. Sie dienen dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen und zur Anbindung von unterschiedlich hohen Bauteilen an einen gemeinsamen Kühlkörper. Gap-Filler sind Silikonelastomere, die mit wärmeleitenden Partikeln angereichert sind. Die Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 1 W/mK bis über 6 W/mK. Ein Vorteil ist bei den weicheren Gap-Fillern die geringe Kraftausübung auf empfindliche Elektronikbauteile (niedriges Kompressionsmodul). Gap-Filler sind meist leicht haftend und benetzen Oberflächen in idealer Weise (Reduktion Wärmeübergangswiderstand). Sie können aufgrund ihres viskoelastischen Verhaltens auch als Vibrationsdämpfer eingesetzt werden.

Messverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien (Elektrotechnik)

Die Ermittlung eines spezifischen Wärmewiderstandes kann mit mehreren verschiedenen Messverfahren erfolgen. Diese sind für homogenen Materialien genauso einsetzbar wie für mehrschichtig aufgebaute Systeme geeignet. Allerdings ist ihre Praxisrelevanz unterschiedlich.

  • In vielen Elektronik-Entwicklungsabteilungen wird vergleichend gemessen. Bei dieser sehr praxisnahen Messmethode wird ein Leistungstransistor verwendet, der mit einer bestimmten und geregelten Leistung beaufschlagt wird. Mit z.B. PT100-Messfühlern wird die Temperatur z.B. des Gehäuses nahe an dem Halbleiterkristall ermittelt und bei verschiedenen Wärmeleitmaterialien verglichen.

  • Ein standardisierter Test mit guter Praxisnähe ist ASTM D5470. Bei diesem Test wird zwischen zwei Metallzylindern das zu prüfende Material eingelegt. Die Kontaktflächen sind poliert und sollen so größtmögliche Kontaktfläche bieten. Es wird ein stabiler Wärmestrom eingestellt und die Differenztemperatur ermittelt, die an den Grenzflächen des Probenmateriales entsteht. Durch Anpassung des Drucks, mit dem die beiden Metallzylinder die Probe komprimieren, kann die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich in Abhängigkeit der Kompression ermittelt werden. Mit dieser Methode kann man auch kombinierte Produkte (z.B. beschichtete Folien) gut charakterisieren.

  • Bei der Laserflash Methode (z.B. ASTM E1461) wird die Probe von unten mit einem Laserimpuls erwärmt, während man auf der anderen Seite die Sprungantwort misst. Diese Messmethode ist sehr schnell. 
    Nachteil: die Messung berücksichtigt nahezu überhaupt nicht Oberflächenstrukturen. So kann im Extremfall z.B. ein hartes Keramikmaterial eine hervorragende Leitfähigkeit, mangels Anpassung an Oberflächenrauigkeit jedoch einen sehr hohen Übergangswiderstand besitzen. 

  • Die 3-Omega-Methode wird mittels Heizdraht eine oszillierende Wärmewelle in die Probe geschickt. Die als Antwort auf die Anregung gemessene Wechselspannung bei dreifacher Anregungsfrequenz lässt sich umrechnen in die spezifische Wärmeleitfähigkeit. Die Methode ist gut für dünne Schichten geeignet. Sie wird jedoch selten in der Praxis angewendet.

  • Eine weitere Messmethode ist das „Hot-Disk“ Verfahren (DIN EN ISO 22007-2), bei dem ein Sensor zwischen zwei identische Scheiben des zu messenden Material mit einer konstante Aufheizrate erhitzt wird. Die Erwärmung des umgebenden Probekörpers ist ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit.

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