Wie wichtig sind Beschichtungen auf wärmeleitenden Folien?

Die Vorteile von Isolationsfolien sind die geringe Materialstärke (meist nur 0,025….0,05 mm), die sehr hohe Spannungsfestigkeit und die geringe Wegstrecke, die für den Wärmetransport benötigt wird. Dadurch wir der Nachteil der geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit in vielen Fällen vollständig ausgeglichen (Faustregel: bei gleichem angestrebten Wärmestrom muß bei doppelter Materialstärke ein Material mit doppelter spez. Wärmeleitung eingesetzt werden).

Übliche Isolationsfolien sind druckstabile, nicht flexibel Materialien. Sie können nicht wie andere Materialien (Silikonmatten, Gap-Filler, Vergussmassen, Wärmeleitpaste) in die feinen Unebenheiten von Oberflächen eindringen. Dadurch können 30-40% der direkten Auflagefläche zwischen Hitzequelle und Hitzesenke verloren gehen. Luft ist mit 0,024 W/mK ein sehr schlechter Wärmeleiter. Solche Lufteinschlüsse (also kein direkter Kontakt) verschlechtern die Wärmeleitung von wärmeleitenden aber steifen Isolationsfolien erheblich.

Diesen Nachteil gleicht man durch TIM-Beschichtungen aus. Darunter versteht man ganz allgemein Beschichtungen, die dafür geeignet sind, die Lufteinschlüsse zwischen mikroskopisch rauen Oberflächen (Grenzflächen) zu verdrängen. Dazu müssen diese Oberflächenveredelungen wärmeleitender Isolationsfolien weich genug sein, um in solche Unebenheiten einzudringen und einen Formschluss zu erzeugen. Für diese Aufgabe gibt es von CMC Klebetechnik verschiedene Lösungen, die im Folgenden dargestellt werden sollen:

- Phase-Change-Beschichtung; diese Beschichtungsmassen sind bei Raumtemperatur fest, schmelzen jedoch recht früh (55-60°C) auf. Sie fließen dann in die Unebenheiten der Oberflächen und füllen diese auf. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung von Hitzequelle und Wärmesenke hergestellt.

Wärmeleitende Acrylatkleber verbinden Wärmeleitung und Klebkraft miteinander. CMC Klebetechnik bietet zwei Varianten an: ein bereits unter 100°C recht mobiler Kleber mit moderater Klebkraft sowie ein Hochleistungs-Acrylatkleber, der bis 180°C eingesetzt werden kann.

Wärmeleitende Silikonbeschichtungen, die entweder klebend oder nichtklebend sein können. Sie widerstehen Temperaturen auch oberhalb von 200°C und sind sehr alterungsbeständig.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie stark der Einfluss von TIM-Beschichtungen der CMC Klebetechnik sind, wurden Messungen durchgeführt. Dazu wurden die blanken Folie sowie beschichtete Folien mit nicht-wärmeleitenden und wärmeleitenden TIM-Beschichtungen miteinander verglichen:

Exemplarische Messwerte (Messverfahren ASTM D5470, NICHT Laserflash):

Kapton® MT+ ohne Beschichtung                                 0,28 W/m*K

Kapton® MT+ mit nicht-wärmeleitendem Kleber            0,36 W/m*K

Kapton® MT+ mit wärmeleitendem Kleber                     0,73 W/m*K

Kapton® MT+ mit Phase Change Beschichtungen         0,84 W/m*K

Wie man gut erkennt, ist bei gleicher Basisfolie die Wärmeleitung deutlich verbessert, wenn eine Beschichtung mit Thermal Interface Material aufgebracht ist. Die wärmeleitende Variante (gleiche Schichtstärke) verdoppelt den Wärmetransport und liegt etwa auf gleichem Niveau wie der theoretische spezifische Wärmeleitwert von Kapton® MT+ (0,85 W/m*K). Doch erst durch die TIM-Beschichtung kann das sehr gute Kapton® MT+ seine Vorteile voll ausspielen.

Der Grund dafür ist leicht erklärt: Bei der Berechnung des Wärmetransfers in einem Komplettsystem ist die Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Kühlelement propotional zur Summe aller thermischen Einzelwiderstände - einschließlich der Schnittstellenwiderstände zwischen den sich berührenden Oberflächen. Und diese Schnittstellenwiderstände können leicht deutlich höher sein wie die Wärmewiderstände der verwendeten Wärmeleitmaterialien. Eliminiert man diese Übergangswiderstände, verbessert sich die Summenrechnung erheblich.

Bessere Wärmeableitung führt zu einer längeren Lebensdauer der elektronischen Bauteile und damit zu einer größeren Zuverlässigkeit Ihrer Geräte!

 

 

Anmerkungen:

  • Messungen der Wärmeleitfähigkeit sind abhängig von Druck, Methode, Schichtstärken und Messeinrichtung.
  • Interface-Materialien können keinen Metall-zu-Metall Kontakt ersetzen. Metalle sind immer dramatisch höher wärmeleitend!
  • Interfacematerialien sind auch umso besser, desto besser sie die (raue) Oberfläche benetzen.
  • Umso kürzer ein Wärmepfad ist, desto höher ist der mögliche Wärmestrom. Umso größer die Querschnittsfläche, desto mehr Wärmeenergie kann übertragen werden (Finnen von Kühlkörpern).
  • Interface-Materialien (TIM) sollten nicht elektrisch leitend sein (ausser es spielt keine Rolle, z.B. Graphitfolie).
  • TIM Produkte sollten alterungsbeständig sein und nicht zum "Auspumpen" durch Wärmebewegungen neigen (Thermomechanischer Stress).