Thermische Schnittstellen – Wärmeleitmaterialien

Dr. Dietrich Müller GmbH

Thermische Schnittstellen – Wärmeleitmaterialien

Ahlhorn | 17.12.2020

Funktion von Wärmeleitmaterialien

Wärmeleitmaterialien, im englischen Thermal Interface Material (TIM) genannt, finden in vielen Bereichen der Elektronik Verwendung, in denen es auf eine schnelle und effiziente Wärmeleitung ankommt. TIMS füllen Unebenheiten aus und ermöglichen somit eine bessere Wärmeübertragung vom Bauteil zum Kühlkörper. Typische Anwendungsbereiche sind wärmeempfindliche Komponenten bei denen ein Aktiv- oder Passivkühler verwendet wird. Sie dient als Montagehilfsmittel von Elektronik, Mess- und Regeltechnik und zur verbesserten Wärmeabfuhr von elektronischen Bauteilen wie Leistungstransistoren.

Arten von Wärmeleitmaterialien

Phasenwechsel-Materialien

Das Besondere an Phasenwechselmaterialien (PCMs) ist, dass diese unter Anwendung von Wärme vom Betriebsprozessor und leichtem Klemmdruck einen Übergang durchlaufen – und zwar von einer festen zu einer halbfesten Phase. Die halbfeste Phase hat dabei die Eigenschaft, sich sehr leicht an beide Oberflächen anzupassen. Die Fähigkeit zur vollständigen Ausfüllung der Grenzflächenluftspalte und Oberflächenhohlräume unter leichtem Klemmdruck ermöglicht diesem Material eine Leistung, die der der Wärmeleitpaste entspricht.

Wärmeleitpaste

Bei Wärmeleitpasten handelt es sich normalerweise um Silikon, welches mit wärmeleitenden Füllern bereichert ist. Eine Aushärtung ist in der Regel nicht nötig und sie können fließen und sich den Schnittstellen hervorragend anpassen. Die thermischen Schnittstellen sind problemlos nachbearbeitbar. Es muss allerdings sichergestellt werden, dass vor der Installation des Kühlkörpers genügend Paste oder Fett aufgetragen wurde.

Gap filler

Eines der größten Marktsegmente der TIMs sind Gap filler. Diese können in verschiedenen Stärken geliefert werden. Diese effizienten, weichen und hoch wärmeleitenden Materialien können Lücken bis zu 15 mm abdecken. Die praktischen Gap filler können mehrere Bauteile von unterschiedlicher Höhe abdecken und die Wärme dann in einen gemeinsamen Wärmeverteiler weiterleiten.

Wärmeleitfolien

Wärmeleitfolien erledigen nicht nur die Wärmeübertragung, sondern bieten auch elektrische Isolation. Was die Reißfestigkeit und Durchstoßfertigkeit angeht, so bieten die thermischen Folien eine ausgezeichnete Beständigkeit. In diese Kategorie fallen silikonhaltige und silikonfreie (z. B. mit Keramik gefülltes Polyurethan) Wärmeleitfolien und Graphitmaterialien. Das Spektrum an Wärmeleitfähigkeiten und auch an Preisklassen ist breit, so dass jeder eine gute Lösung finden kann.

Thermische Pads

Wärmeleitpads bestehen in der Regel aus dem Formen von unverstärktem Silikon mit leitfähigen Füllstoffen. Bei Verstärkungen für Wärmeleitpads handelt es sich typischerweise um gewebtes Glas, Metallfolien oder Polymerfilme. Die praktischen Wärmeleitpads werden normalerweise in verschiedenen Größen vorgeschnitten, um Komponenten unterschiedlicher Größe aufnehmen zu können. Was die Leitung angeht, sind Phasenwechselmaterialien und Wärmeleitpaste zwar klar überlegen, allerdings haben die Wärmeleitpads den Vorteil, dass sie für Anwendungen mit einer geringeren Kühlanforderung eine preiswerte und bequeme Option darstellen.

Graphitfolien

Bereits seit langem wird diese kostengünstige Option eingesetzt. Die Folien sind elektrisch leitend und sind bei sehr hohen Temperaturen bis zu 500 ºC gut einsetzbar. Manche Anbieter richten die Fasern horizontal aus. Dies hat sehr unterschiedliche Wärmeleitfähigkeitsmessungen zur Folge. So gibt es Material, dass auf der x-Achse mit 7,0 W / mK und auf der y-z-Achse mit 150,0 W / mK aufweist – ein deutlicher Unterschied.

Doppelseitige Wärmeleit-Klebbänder

Ein thermisches Klebeband kann aus einem fein gewebten, nickelbeschichtetem Kupfernetz bestehen, das sich eng an unregelmäßige Montageflächen anpasst. Zur Befestigung von kleinen Kühlkörpern an Komponenten werden sehr häufig wärmeleitende doppelseitige Klebebänder aus PSA verwendet. Wichtige Faktoren sind hier die Abziehfestigkeit, die Überlappungs- und Stanzscherfestigkeit, die Haltekraft und der Wärmewiderstand. Was die Leistungsfähigkeit in Sachen Wärmeleitung der doppelseitigen Klebebänder angeht, so liegt diese im mittleren Bereich. Man erspart sich zwar zusätzliche Montageteile, allerdings haben die Bänder Probleme mit unregelmäßigen Flächen der Bauteile und sind deshalb nur begrenzt einsetzbar. So sind Kunststoff-ICs typischerweise in der Mitte konkav und außerdem variieren die Kühlkörperoberflächen, wodurch Luftspalten in der Schnittstelle auftreten können.

Thermische Klebstoffe

Thermische Klebstoffe – auch Wärmeleitklebstoffe genannt – können sowohl Ein- als auch Zweikomponentensysteme sein. Diese sind mit leitfähigen Füllstoffen ausgestattet. Das Aufbringen erfolgt normalerweise durch Dosieren oder Schablonendruck. Eine Härtung des Klebstoffs ist nötig, um eine sichere Vernetzung des Polymers möglich zu machen, welche die Klebeeigenschaft bietet. Die Tatsache, dass die thermischen Klebstoffe eine strukturelle Unterstützung bieten und somit keine mechanische Klemmung nötig ist, ist sicherlich der größte Vorteil dieses TIM.

Thermische Gele

Gele sind ein ähnliches Material wie Fette, welches leicht vernetzt ist. Das Verhalten ist entsprechend ähnlich, wobei das Ausbluten des Materials reduziert wird.

TIMs aus Metall

Wärmeleitmaterialien aus Metall können in allen möglichen Formen hergestellt werden und sind aktuell nicht mehr auf die Anwendung mit Löten begrenzt. In zahlreichen Anwendungen sind die TIMs aus Metall sehr gut nachzubearbeiten und können außerdem problemlos recycelt werden.

Anwendungsgebiete von Wärmeleitpasten

Hauptanwendungsgebiet von Wärmeleitpasten liegt im Bereich der Elektronik. Darüber hinaus finden Wärmeleitpasten unter anderem in den folgenden Industrien Verwendung:

  • IT-Hardware
  • Kunststoff-Industrie
  • Schuhmaschinen-Industrie
  • Gießereien
  • Apparatebau und Labor-Industrie
  • Holzmaschinen-Industrie
  • Verpackungsmaschinen-Industrie
  • Medizintechnik
  • Allgemeiner Maschinenbau

Durch den Ausbau der Elektromobilität erhalten Wärmeleitpasten auch verstärkt Einzug in den Automotive-Sektor im Bereich der Leistungselektronik.

Unsere Broschüre zum Thema Wärmeleitmaterialien

Wenn es um die Auswahl des korrekten Wärmematerials geht, sind sich viele Menschen unsicher, auf was genau sie achten müssen. In unserer Broschüre „Auswahl des richtigen Wärmeleitmaterials“ möchten wir Ihnen alles Wesentliche zum Thema Wärmematerialien an die Hand geben.

Thermisches Schnittstellenmaterial

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