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Wärmeleitmaterialien - Ein kurzer Überblick

Um wirksam zu sein, brauchen alle Kühlplatten  einen hohen Grad an Oberflächenkontakt mit der Komponente oder der zu kühlenden Platte. Leider verhindern unregelmäßige Oberflächen, sowohl auf den elektronischen Komponenten als auch auf der Kühlplatte, einen guten Kontakt.

Ein Industrieexperte eines bedeutenden Herstellers von Wärmeleitmaterialien merkt an: "Bis zu 99% der Oberflächen sind von einer Schicht interstitieller Luft getrennt...einem schlechten Wärmeleiter". [1] Ein weiterer bedeutender Hersteller zitiert, dass zwei "miteinander verbundene Oberflächen sich an nur 1/10.000 ihrer Oberflächen berühren können. Sie können sich nur an drei Stellen berühren. Überall sonst ist Luft zwischen ihnen, welche eine Wärmebarriere bildet." [2]

Eine Vielfalt von Wärmeleitmaterialien Bild mit freundlicher Genehmigung von The Bergquist CompanyEine Vielfalt von Wärmeleitmaterialien
Bild mit freundlicher Genehmigung
von The Bergquist Company

Daher ist irgendeine Art von wärmeleitendem Material auf der Grenzfläche nötig, um den Zwischenraum zwischen den miteinander verbundenen Oberflächen zu füllen. Darüber hinaus ist es oftmals nötig, dass diese Wärmeleitmaterialien gleichzeitig eine elektrische Isolierungsfunktion erfüllen, um sicher zu stellen, dass während des Wärmetransfers keine elektrischen Probleme geschaffen werden. [3]

Hersteller von Wärmeleitmaterialien bieten eine Vielfalt von Produkten an, die den Anforderungen vieler verschiedener Wärmekontrollanwendungen entsprechen. Diese Materialien unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit (d.h. thermale, elektrische, und physikalische Eigenschaften), ihrer Gesamterscheinung und ihrer Einsatzmöglichkeiten deutlich voneinander. Zu den am meisten gebrauchten Arten von Wärmeleitmaterialien gehören: Wärmeleitpasten, wärmeleitende Cure-in-Place-Komponenten, lückenfüllende wärmeleitende elastomere Isolierungsdämpfer, wärmeleitende Klebebänder und Phasenumwandlungsmaterialien. Diese sind nachstehend kurz erläutert.

Wäremeleitpasten

Wärmeleitpaste enthält wärmeleitende Keramikfüllstoffe aus Silikonöl oder Kohlenwasserstofföl, die auf eine der beiden zu verbindenden Öberflächen aufgetragen werden. Beim Zusammendrücken der Oberflächen breitet sich die Paste aus und füllt den Leerraum. Während dieses Zusammendrückens quillt überschüssige Paste zwischen den verbundenen Oberflächen heraus. Zur Fixierung der Verbindung werden eine Art Klammer oder andere Befestigungselemente benötigt. Obwohl sie relativ preisgünstig und thermisch wirksam ist, ist Wärmeleitpaste kein elektrischer Isolator. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Verteilung und Anwendung der Paste umständlich sein kann und zum Vermeiden von Problemen durch Verunreinigungen eine gründliche Reinigung erforderlich ist. [3]

Wärmeleitende Cure-in-Place-Komponenten

Eine wärmeleitende Komponente beinhaltet auch wärmeleitende Keramikfüller, aber im Gegensatz zu Wärmeleitpasten ist das Bindemittel ein Gummimaterial. Bei der ersten Anwendung fließt die pastenähnliche Komponente in die Zwischenräume zwischen den zu verbindenden Oberflächen. Während der nachfolgenden Erhitzung härtet sie zu einem trockenen Gummibelag aus. Neben seiner thermalen Eigenschaften fungiert dieser Belag auch als Haftmittel, der eine feste, lückenlose Verbindung ohne Bedarf an zusätzlichen Befestigungen ermöglicht. Wärmeleitende Komponenten können erfolgreich größere Lücken in Situationen füllen, in denen Wärmeleitpasten aus den verbundenen Teilen ausgetreten wären. Obwohl die Anwendung und die Leistung der der Wärmeleitpaste ähnlich sind, ist die Reinigung einfacher, da lediglich der überschüssige Gummibelag entfernt werden muss. [4]

Ein Beispiel für einen Isolierungsdämpfer Bild mit freundlicher Genehmigung von The Bergquist CompanyEin Beispiel für einen Isolierungsdämpfer
Bild mit freundlicher Genehmigung von
The Bergquist Company

Wärmeleitende elastomere Isolierungsdämpfer

Ein wärmeleitender elastomerer Isolierungsdämpfer besteht aus einem Silikonelastomer, der mit wärmeleitenden Keramikpartikeln gefüllt ist und gewebte Glasfaser oder dielektrische Belagsverstärkung enthalten kann. Diese Isolierungsdämpfer erweisen sich als nützlich für Anwendungen, die elektrischer Isolierung bedüfen, da ihre typische Dicke von 0,1 - 5 mm und ihre Härte von 5 bis 85 Shore A beträgt, und sie dadurch sowohl elektrische Isolierung als auch Wärmeleitung liefern. Dickere Dämpfer erweisen sich dann als nützlich, wenn es größere Lücken zu füllen gibt. Während der Anwendung werden die Isolierungsdämpfer zwischen den zu verbindenen Oberfächen komprimiert, damit sie sich an die Unebenheiten der Oberflächen anpassen. Der Befestigungsdruck muss der Härte des Elastomers entsprechend angepasst werden, um sicherzustellen, dass die Lücken gefüllt werden. Eine mechanische Befestigungsvorrichtung ist unentbehrlich, damit die Verbindung nach der Zusammenfügung erhalten bleibt. [5] [8]

Wärmeleitende Klebebänder

Ein wärmeleitendes Klebeband ist ein doppelseitig druckempfindlicher Klebebelag, der mit wärmeleitendem Keramikpulver gefüllt ist. Um die Handhabung zu erleichtern, können Aluminiumfolie oder ein Polyamidfilm zur Unterstützung des Klebebandes verwendet werden, wobei letzteres Material zugleich noch elektrisch isoliert. Wenn das Band zwischen den zu verbindenden Oberflächen angewandt wird, muss es Druck ausgesetzt werden um sich den Oberflächen anzupassen. Sobald die Verbindung hergestellt ist, wird sie vom Haftmittel zusammengehalten, wodurch zusätzliche Befestigungen entfallen. Bindungshärtung ist nicht notwendig. Eine Einschränkung von wärmeleitenden Klebebändern ist die Tatsache, dass sie große Lücken zwischen Oberflächen nicht so gut füllen können wie Flüssigkeiten. Der Anwender muss daher die Bequemlichkeit der Anwendung von Klebebändern gegen einen geringen thermalen Leistungsverlust abwägen. [6]

Phasenumwandlungsmaterialien

Phasenumwandlungsmaterialien sind bei Zimmertemparatur fest, zerschmelzen jedoch (d.h. sie erleben einen Phasenübergang), wenn die Temperatur auf 40° bis 70°C (104°F bis 158°F) ansteigt. Damit kann das Material (in seiner trockenen Belagform 0,13 mm dick) genauso einfach gehandhabt werden wie der Isolierungsdämpfer, wobei man auch noch sicherstellt, dass es bei Erhitzung während des Aufbaus genauso wirksam in die Lücken zwischen den zu verbindenden Oberflächen fließt wie Wärmeleitpaste. Normalerweise reicht die Zugabe von Strom zur elektronischen Komponente aus, um die benötigte Hitze für den Phasenumwandlungsprozess zu liefern und somit eine stabile thermische Verbindung herzustellen. Diese Materialien bestehen aus organischen Bindemitteln (d.h. ein Polymer und eine kristalline Komponente mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z.B. Wachs), wärmeleitenden keramischen Füllstoffen und gegebenenfalls einem unterstützenden Basismaterial wie Aluminiumfolie oder gewebter Glasfaser. [7]

Wo man Wärmeleitmaterialien beziehen oder mehr über sie erfahren kann

Eine umfangreiche Auflistung von Firmen, die Wärmeleitmaterialien anbieten, finden Sie auf der Webseite Electronics Cooling. Klicken Sie auf "Buyers Guide" und dann auf den "Buyers Guide" in PDF-Format. In der PDF-Datei klicken Sie dann in der linken Spalte auf "Interface Materials" (Wärmeleiter).

Literaturhinweise:

[1]de Sorgo, Miksa, "Thermal Interface Materials", ElectronicsCooling Magazine, Sept. 1996.
[2]Orcus Technische Informationen, www.orcusinc.com/tech_interface.htm.
[3]Hanson. Kevin, "Thermal Isolators, Material Properties that Determine Electrical, Mechanical, and Thermal Performance", PCIM Magazine, April 1999.
[4]de Sorgo, Miksa, ibid.
[5]de Sorgo, Miksa, ibid.
[6]de Sorgo, Miksa, ibid.
[7]de Sorgo, Miksa, "Understanding Phase Change Materials", ElectronicsCooling Magazin, Mai 2002
[8]Chomerics Technische Informationen, www.chomerics.com/products/thermal.htm