Ein wenig Wärmeleitungs Know-How

Wärmeleitung durch das Material hindurch und in der Fläche (Wärmespreizung)

Meistens möchte man die entstehende Verlustwärme möglichst gut und schnell zu der Wärmesenke (Kühlkörper) ableiten. Dazu koppelt man das Bauteil möglichst dicht und auf kurzem Wege an.

Im Fall von Bauraum-Problemen (sehr eng, kein Platz für große Kühlkörper am Ort der Wärmeentstehung, gleichmäßige Verteilung der Wärme über einen großen Bereich, z.B. Backlight-Beleuchtung von Bildschirmen) kann es notwendig werden, sogenannte "Wärmespreizer" zu verwenden. Diese lassen wenig Wärme durch das Material hindurch, verteilen aber sehr schnell und gut Wärme auf eine größere Fläche. Damit kann man den Wärmestrom in Richtung einer Wärmesenke lenken. Grafitfolien erreichen bis zu 1.500 W/mK Wärmeleitfähigkeit in der Fläche, das elektrisch isolierende Temprion™ OHS™ bis zu 50W/mK.

 

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-Rauhigkeiten reduzieren die direkte Kontaktfläche, die für die Wärmeleitung notwendig ist, um etwa 60-80%.

Auch ein gut wärmeleitendes, aber "hartes" Isolationsmaterial kann die entstehenden Lufteinschlüsse nicht gänzlich ausfüllen. Besonders Hochleistungsfolien wie Kapton® MT oder Kapton® MT+ haben da Nachteile.
Durch die Verwendung von Wärmeleitwachsen (PCM, Phase Change Material) kann man diesen Nachteil vermeiden. Das bei Raumtemperatur feste Wachs schmilzt beim der ersten Inbetriebnahme auf und füllt die Kavitäten aus. Dadurch ergibt sich einen durchgehender Wärmepfad ohne Unterbrechungen durch Lufteinschlüsse. Das wärmeleitend eingestellte Phase-Change-Material ist so dünn, dass es kaum die Wärmeleitung beeinflusst.

Gesamtwärmewiderstand = (Widerstand Gehäuse) + (Widerstand Übergang) + (Widerstand TIM) + (Widerstand Übergang) + (Widerstand Kühlkörper)

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


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.

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

Wärmewiderstand = (Materialdicke * 1000) / (Wärmeleitfähigkeit * Fläche)
[ mm * 1000 / (W/m*K * mm²) = K/W

Vorteil für Kapton MT+: sehr gute Wärmeleitfähigkeit wegen geringer Materialstärke und dabei sehr guter Spannungsfestigkeit

Wichtig: diese Aussage bezieht sich nur auf den Transport innerhalb des Materials - der Wärmeübergangswiderstand ist dabei nicht berücksichtigt (siehe weiter oben "Wie wichtig sind Interface-Beschichtungen")

 


Wie wird Wärmeleitfähigkeit gemessen?

 

Nach der ASTM D5470 wird die Wärmeleitfähigkeit eines Testmaterials wie folgt bestimmt:

Ein beheizter Metallblock liefert die Wärmequelle. Dicht über und unter dem wärmeleitenden Material sind Temperatursensoren angebracht. Unten ist ein Metallblock, der die Wärmesenke darstellt (ggf. gekühlt).

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.


Wie wählt man das richtige Material für das Heatmanagement in der Elektronik aus?

1.)   Warum braucht man wärmeleitfähige Materialien?

Moderne elektronische Geräte pressen immer mehr Leistung in immer weniger Raum. Die Bedeutung eines effizienten Wärmemanagement wird dadurch immer größer.

Um die entstehende Verlustwärme abzuführen, müssen daher immer bessere und an die Erfordernisse angepasste Materialien eingesetzt werden. Denn eine alte Daumenregel besagt, dass 10°C Temperaturreduktion das Leben eines elektronischen Bauteils verdoppelt.

Die Wahl des richtigen wärmeleitenden Materials ist abhängig von dem Einsatzort und dem erwünschten Effekt. Die folgenden Informationen zeigen die Vor- und Nachteile einzelner Produktgruppen auf und helfen ein wenig, die richtige Wahl zu treffen.
 

2.)   Arten von thermisch leitfähigen Produkten

o    Wärmeleitende Klebebänder

o    Phase Change Produkte

o    Thermisch leitfähige Vergussmassen und Wärmeleitpaste

o    Thermisch leitfähige Klebstoffe

o    Wärmespreizer (heat spreader)

o   Thermisch leitende Pads, Gapfiller, Silikonkautschuk-Pads


3.)   Übersicht der Vor- und Nachteile

Wärmeleitende Klebebänder

Beschreibung

Vorteil

Nachteil

Thermisch leitfähige Klebebänder sind dafür gedacht, das Wärme abgebende Bauteile mit dem Kühlkörper zu verbinden. Es können Acrylat- oder Silikonkleber eingesetzt werden. Sie werden auf ein Trägermaterial aufgebracht, z.B. Kapton® MT, Aluminiumfolie.

- Gute Klebkraft

- Kann als Stanzteil oder Rollenmaterial geliefert werden

- Ideal für die Vormontage

- Geringes Gewicht und sehr dünn

- Gute elektrische Isolation (wenn z.B. Kapton® verwendet wird)

 

- Mittlere Wärmeleitfähigkeit (bei Polymerfolie, dafür aber sehr dünn = Länge des Wärmepfades)

- Haftkraft bei Scherkräften ggf. nicht ausreichend

 

Phase Change Produkte

Beschreibung

Vorteil

Nachteil

Phase Change Produkte kombinieren die Eigenschaften von Wärmeleitpaste mit dem einfachen Handling von wärmeleitenden Pads. Eine Beschichtung aus Wachs, das bei Raumtemperatur fest ist, schmilzt im Betrieb oberhalb von 50-60°C auf. Dadurch werden die Lufteinschlüsse zwischen den Oberflächen ausgefüllt und der Wärmedurchgang erheblich verbessert.

- Kann als Stanzteil oder Rollenmaterial geliefert werden

- Funktioniert wie Wärmeleitpaste, ist aber deutlich besser zu dosieren

- Saubere und einfache Handhabung

- Hohe Wärmeleitfähigkeit

- Sehr Gute elektrische Isolation durch Trägerfolie (z.B. Kapton® MT

- Nur geringe Klebkraft, benötigt zusätzliche mechanische Befestigung

- Kann nicht wie Wärmeleitpaste mehrmals eingesetzt werden (Reparatur)

Thermisch leitfähige Vergussmassen und Wärmeleitpaste

Beschreibung

Vorteil

Nachteil

Wärmeleitpasten sind meist Silikon-basierende zähflüssige Massen mit einem keramischen Füllstoff (Filler). Wärmeleitpasten sind bereits sehr lange im Gebrauch und bieten eine gute Reduktion des Wärmeübergangswiderstandes.

-Hohe thermische Leitfähigkeit

- Passt sich sehr gut an Oberflächenrauigkeit an

- Kann nach Reparatur erneut verwendet werden

- Günstig, erprobt

- Korrekte Dosierung schwierig

- Gefahr der Kontamination

- Mechanische Befestigung der Bauteile notwendig

- Keine elektrische Isolation (Wärmeleitpaste)

Thermisch leitfähige Klebstoffe

Beschreibung

Vorteil

Nachteil

Silikon- oder Epoxydharz basierende Klebstoff mit sehr hoher Endhaftkraft. Das Aufbringen und die Dosierung benötigen eine ausgeklügelte Fertigung.

- Hohe thermische Leitfähigkeit

- Ersatz von mechanischen Befestigungen

- Korrekte Dosierung schwierig

- Begrenzte Temperaturbeständigkeit (Epoxyd)

- Keine Nachbearbeitung oder Reparatur möglich

Wärmespreizer

Beschreibung

Vorteil

Nachteil

Spezielle Gruppe von Wärmeleitmaterialien, deren Ziel es ist, die Verlustwärme von Hot-Spots in der Fläche zu verteilen. Man kann damit Wärme an den Ort der Wärmesenke leiten. Entweder Metallfolien oder spezielle Produkte wie z.B. Graphit-Folien.

- Können als Stanzteile kundenspezifisch angeliefert werden

- Hohe thermische Leitfähigkeit in der Fläche

- Je nach Material kaum Durchleitung der Wärme durch das Material hindurch.

- Wenn nicht Metallfolie ggf. teure Lösung

- Wenn reine Metallfolie keine elektrische Isolation (durch Kombination mit Isolationsfolie kein Nachteil)

Thermisch leitende Pads, Gapfiller, Silikonkautschuk-Pads

Beschreibung

Vorteil

Nachteil

Kombiniert die Vorteile von Wärmeleitpaste und Isolationsmaterial (z.B. klassisch Glimmer). Häufig verwendet wird Silikonkautschuk mit keramischen Füllstoffen. Die weichen Oberflächen passen sich gut an Unebenheiten an und überbrücken Spalten. Leicht zu handhaben

- Können als Stanzteile kundenspezifisch angeliefert werden

- Saubere und einfache Handhabung

- Problemlose Montage

- Gute Wärmeleitfähigkeit

- Gute Spannungsfestigkeit

- Überbrück Distanzen

- Um eine gute Wärmeleitung zu erreichen müssen die Pads erheblich verpresst werden

- Bei guter Wärmeleitfähigkeit und größerer Dicke teure Lösung


Wärmewiderstand, Wärmeimpedanz und spezifischer Wärmeleitwert

In Datenblättern erhält man immer wieder unterschiedliche Angabe, wie wärmeleitfähig Materialien sind.
Gängig dabei ist die Angabe des spezifischen Wärmeleitfähigkeit, die dicken- und flächenunabhängig ein materialtypischer Wert ist: W/m*K

Doch auch Werte wie W/K oder K*in²/W sind zu finden. Wie rechnet man diese nun ineinander um (unter Vernachlässigung der Wärmeübergangswiderstände von einer Materialoberfläche zur anderen)?

Die Ausgangsgleichung lautet

Thermischer Widerstand = Stärke/ (Fläche * spezifische Wärmeleitfähigkeit)

K / W = d / (A * (W/m*K))  =>  K / W = d * (m*K/W) / A

Spezifisch. Wärmeleitfähigkeit = W/m*K
W = Watt
K = Kelvin
m = Meter
A = Fläche in m²
d = Dicke in m

Durch Umstellung der Formel nach dem jeweils gesuchten kann man leicht die Angaben aus verschiedenen Datenblättern vergleichen: zum Beispiel die Angabe K/W * d = K*in²/W (sofern man normiert auf Inch).

Als Faustformel: doppelte Materialstärke bei gleicher spez. Wärmeleitfähigkeit bedeutet die halbe Menge an Wärmetransport. Oder: bei gleicher Menge Wärme, die transportiert werden soll, muß ein doppelt so starkes Material auch eine doppelt so gute spez. Wärmeleitfähigkeit haben! Vorteil für dünne Folie wie Kapton MT+, selbst wenn der spez. Wärmeleitwert nur knapp 1 W/m*K beträgt.


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 materialspezifische 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.

Praxisbeispiel: 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 von Wärmeleitmaterialien einmal zu 1 (z.B. 1m², 1 cm²…), so erscheint in der Berechnungsformel für den Wärmewiderstand

Rth = l / λ * A nur noch der Term l / λ

Häufig wird in Datenblätter auf inch² normiert. Die Einheit auch dann K/W, was man als Grad Kelvin pro Watt Verlustleistung lesen kann.

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

Spezifischer Wärmeleitwert

Wärmewiderstand (normierte Fläche)

mm

w/m*K

Rth = l/λ in K/W

MP 7016-020D, PCM

0,015

1,00

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).