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.

Anwendungsbereiche

Thermal Management ist ein wichtiges Thema für LED Anwendungen, Industrie PC´s, Solar-Konvertern, Motoransteuerungen, Hochfrequenz-Stromversorgungen, für Super-Caps, Hochleistungskondensatoren, bei der Batterie-Technologie, Power-Grids, in der Informationstechnik, Leistungselektronik und bei Automotive-Anwendungen (HEV, OBC, DC/DC Wandler).

Wärmeleitende Produkte von CMC werden kundenspezifisch hergestellt für folgende Anwendungen:

IT-Technik: WLAN-Router, Server, Notebooks, VOIP-Telefone, Speichermodule, Fetplatten und Drucker

Stromversorgung: Wechselrichter, Stromrichter, Netzkomponenten (Smart Grid), Unterbrechungsfreie Stromversorgungen, DC/DC Wechselrichter, Solarwechselrichter, Motorsteuergeräte

Automobiltechnik: Tagfahrlicht, Bremslichter (LED-Leiste), Elektronik für Servolenkung, ABS-Bremsmodule, Autoelektronik, Leistungshalbleiter

Haus- und Beleuchtungstechnik: Leistungs-LED-Lampen, Smart Meter, Audiogeräte, LCD Fernseher

sowie in der Medizintechnik und im Elektromotoren- und Generatorenbau.

Informationen zum Thermal Management

Wie wird Wärmeleitfähigkeit gemessen?

Nach der ASTM D5470 wird die Wärmeleitfähigkeit eines Testmaterials wie folgt bestimmt: Ein beheizter Metallblock liefert die Wärmequelle. Getrennt durch das wärmeleitenden Material befindet sich darunter ein weiterer Metallblock, der als Wärmesenke (ggf. gekühlt) dient. Dicht über und unter dem wärmeleitenden Material sind Temperatursensoren angebracht.

Nachdem sich ein stabiler Wärmestrom eingestellt hat, wird die Temperaturdifferenz ermittelt, die durch das Testmaterial erzeugt wird. Daraus errechnet sich die Wärmeleitfähigkeit.

Vorteil dieser Methode gegenüber der Laserflash-Methode: auch die Rauigkeiten an der Oberfläche des Materials werden mit gemessen. Denn in der realen Einbausituation werden auch immer die Übergangswiderstände an den Schnittstellen der einzelnen Materialien eine Rolle spielen

Wichtige Überlegungen zur Wärmeleitfähigkeit kurz zusammengefasst

Wichtig bei allen Überlegungen: in sehr vielen Fällen ist nicht die spezifische Wärmeleitfähigkeit (W/mK) entscheidend, sondern die Benetzungsfähigkeit (Formschluss), die Dicke (Wegstrecke für Wärmestrom) und die Querschnittsfläche des Wärmeleitpfades. 

Elektronische Geräte werden immer kleiner und leistungsfähiger. Das stellt Entwicklungsingenieure vor immer größere Herausforderungen, denn auch die Lebensdauer elektronischer Geräte wird durch Wärme massiv beeinflusst. Die kompakte Bauweise vieler Elektronikbaugruppen und Vorgaben vom Design erfordern ein effizientes Heatmanagement. Wärmeleitende Silikonfolien, dünne, wärmeleitende Kaptonfolien und dicke, Toleranzen ausgleichende Gap-Filler sind dabei wesentliche Bestandteile neben den Kühlkörpern oder Heatpipes.

In den meisten Fällen werden die Produkte als Stanzteile benötigt. Dafür stehen Hub-Stanzen, Rotationsstanzmaschinen und Hochleistungs-Schneidplotter zur Verfügung. Von Stückzahl 1 bis in den Bereich von Millionen Stanzteilen. 

Wichtige Überlegungen zur Wärmeleitfähigkeit kurz zusammengefasst 

Wärmeleitung ist nicht nur eine Frage der verwendeten Materialien

Der Wärmeübergang z.B. von dem Gehäuse eines Leistungs-Transistors auf einen Aluminium-Kühlkörper kann recht schlecht ausfallen. Oberflächen-Rauigkeiten reduzieren die direkte Kontaktfläche, die für die Wärmeleitung notwendig ist, um etwa 20-40%.

Durch die Verwendung von z.B. Wärmeleitwachsen (PCM, Phase Change Material) kann man diesen Nachteil vermeiden. Das bei Raumtemperatur feste Wachs schmilzt bei der ersten Inbetriebnahme auf und füllt die Kavitäten aus. Der Wärmestrom kann ohne Unterbrechungen durch Lufteinschlüsse fließen.

Die Lösung: Reduktion des Wärmeübergangs-Widerstands durch wärmeleitfähige Beschichtungen!

Wärmeleitung ist nicht nur eine Frage der verwendeten Materialien

Wärmetransport als Funktion von Wärmeleitfähigkeit und Materialstärke

Es besteht ein direkter, linearer Zusammenhang zwischen der Materialstärke und dem Wärmestrom, der durch das Material hindurch transportiert werden kann.

Faustregel: Will man durch ein Material doppelter Stärke die gleiche Wärmemenge transportieren, muss die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls verdoppelt werden.

Vorteil also für Kapton MT: sehr gute Wärmeleitfähigkeit bei geringer Materialstärke und sehr guter Spannungsfestigkeit

Wichtig dabei: diese Aussage bezieht sich nur auf den Transport innerhalb des homogenen Materials - der Wärmeübergangswiderstand ist dabei nicht berücksichtigt.

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.

Warum ein schlechter spezifischer Wärmeleitwert kein Nachteil sein muss

Im Allgemeinen vergleicht man zunächst die in Datenblättern gerne hervorgehobenen spezifischen Wärmeleitwerte in W/m*K. Doch dieser Wert ist nur ein erster Anhalt bei der Auswahl des geeigneten TIM-Produktes.

Neben Fragen wie

  • der Notwendigkeit galvanischer Trennung,

  • des verfügbaren Bauraums,

  • dem thermisch-dynamischen Verhaltens im Betrieb (Lebensdauerbetrachtung) oder

  • dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen

sind die sogenannten Übergangswiderstände und die Materialdicke entscheidende Faktoren. Sie bestimmen bisweilen wesentlich die Effizienz einer Entwärmungsmaßnahme.

Bezüglich der Einflüsse des Wärmeübergangswiderstandes finden Sie hier nähere Erläuterungen.

Paxisbeispiel: Schaut man sich einmal eine Burgwand an, dann ahnt man, was damit gemeint ist, dass die Materialdicke einen Einfluß hat auf den Wärmetransport. Es dauert lange, bis Wärme oder Kälte durch eine so dicke Wand dringt (einschließlich der spezifischen Wärmekapazität). Im Gegensatz dazu ist eine Zeltwand nahezu sofort von Wärme oder Kälte durchdrungen.

Normiert man die Fläche einmal zu 1 (m², cm², inch³…), so erscheint in der Berechnungsformel für den Wärmewiderstand

Rth = l / (λ * A) -> nur noch der Term l / λ 

Anhand einiger typischer Produkte aus dem Wärmemanagement kann man nun den Vergleich herstellen zwischen Produkten mit guter spezifischen Wärmeleitfähgkeit und großer Materialstärke im Vergleich zu z.B. Kapton® MT Folie mit vergleichbar schlechter spezifischer Wärmeleitfähigkeit. 

Material Stärke in mm Spezifischer Wärmeleitwert Wärmewider-stand (normierte Fläche)
MP 7016-020D, PCM
0,015 1,0 0,015
CMC 15811 trägerlos AC
0,020 1,0 0,02
CMC 15005, Silikon-Folie
0,200 5,0 0,04
CMC 73250, Kapton® MT
0,025 0,45 0,06
TF 5320F, Acrylat
0,200 3,3 0,06
TR-5912F, trägerlos, AC
0,125 1,1 0,11
CMC 73450, Kapton® MT
0,050 0,45 0,11
CMC 15020, Silikon-Folie
1,00 5,0 0,2
TR 5925F, Acrylat
0,250 1,1 0,23
CMC 15014, Silikon-Folie
3,00 2,0 1,5

Folgerung: Wie man leicht erkennt, haben ein dicker Werkstoff mit guter spezifischer Wärmeleitfähigkeit und eine relativ schlecht wärmeleitende Kapton Folie mit sehr geringer Dicke den gleichen Thermischen Widerstand pro Flächeneinheit.

Das mit 2 W/m*K über vier Mal besser leitfähige Material im Vergleich zu Kapton MT hat dennoch einen höheren Wärmewiderstand, da es deutlich dicker ist (3 mm).

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