Projekt 1
Grundsatzuntersuchung zur
Effektivität von Wärmeleitmaterialien
Im Auftrag eines Herstellers von Automobilelektronik wurden in einer Grundsatzuntersuchung verschiedene Wärmeleitmaterialien hinsichtlich ihrer Effektivität vergleichend untersucht.
Hintergrund der Untersuchung
Mit zunehmender Leistungsdichte in der Elektronik gewinnt die thermische Schnittstelle zwischen wärmeerzeugenden elektronischen Bauteilen und dem Kühlkörper zunehmend an Bedeutung. Hier gilt es den Wärmefluss zu erhöhen, nur so ist eine ausreichende Wärmeabfuhr als Voraussetzung zur Gewährleistung der Lebensdauererwartung an Elektronikmodule zu erreichen.
Wärmeleitmaterialien
Am Anfang wurden in einer Markstudie die verschiedenen, für Wärmeleitmaterialien eingesetzten Technologien vergleichend gegenübergestellt.
Berücksichtigte Technologien
Die Verwendung von Klebstoffen als Wärmeleitmaterialien bietet Vorteile. So ist eine weitere mechanische Befestigung nicht erforderlich und die Gefahr eines Herausfließens des Wärmeleitmaterials aus dem Spalt, z.B. aufgrund hoher Temperaturen oder Vibrationen, wird vermieden. Im Rahmen der Studie wurden verschiedene, sich in ihrer Zusammensetzung aber auch im Preis z.T. deutlich unterscheidende Wärmeleitklebstoffe im Vergleich zu Wärmeleitpasten und Gap-Fillern untersucht.
Versuchsaufbau
Auf einer Leiterplatte, die mittels der untersuchten Wärmeleitmaterialien (TIM) mit einem Kühlkörper verbunden ist, befindet sich eine, als Wärmequelle dienende Diode. Neben einer FR4 Leiterplatte wurde auch das Verhalten bei Verwendung einer Metallkernleiterplatte untersucht.
Aus der im Versuch ermittelten Spannung (U2), der Temperatur an der Diode (T1) und am Kühlkörper (T2) sowie der angelegten Spannung (U1) und der Stromstärke (I) wurde der thermische Widerstand für jeweils 3 Klebschichtdicken berechnet.
Ergebnisse FR4-Leiterplatte
Erwartungsgemäß steigt der thermische Widerstand mit zunehmender Klebschichtdicke an und liegt bei dem geprüften Klebeband (#7) mit einer Dicke von 0,5 mm sogar oberhalb des ohne Wärmeleitmaterial erreichten Wertes. Ansonsten zeigen die Versuche, dass es z.T. erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen verwendeten Materialien gibt.
Ergebnisse FR4-Leiterplatte
Dies macht sich auch in einem materialabhängigen ΔT zwischen der Dioden- und der, über die Versuchsreihe nahezu konstanten Kühlkörpertemperatur bemerkbar. Mit einem guten Wärmeleitmaterial (z.B. #5) kann unter diesen Versuchsbedingungen eine Verringerung der Diodentemperatur um bis zu 10 °C erreicht werden. Aber auch ein hinsichtlich Wärmeleitung nicht optimierter Klebstoff (#3) zeigt positive Effekte.
Ergebnisse Metallkernleiterplatte
Der Vergleich zwischen FR4- und Metallkernleiterplatte am TIM #5 (1K feuchtigkeitshärtendes Al2O3 gefülltes Silikon) zeigt deutlich die nicht unerwartete Verringerung der Diodentemperatur, des ΔT zwischen Dioden- und Kühlkörpertemperatur sowie des thermischen Widerstands.
Schlussfolgerung
Den idealen, für alle Anwendungen gleichermaßen geeigneten Wärmeleitklebstoff gibt es nicht. Die zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit verwendeten Füllstoffe weisen neben der gewünschten hohen Wärmeleitfähigkeit leider auch Nachteile auf. So sind sie sehr hart und infolgedessen abrasiv. Auch sind sie deutlich teurer als die üblicherweise in Klebstoffen verwendeten Füllstoffe. Der, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, erforderliche hohe Füllstoffgehalt führt nicht nur zu einem hohen Klebstoffpreis, sondern auch zu einer hohen Klebstoffviskosität. In Verbindung mit dem abrasiven Verhalten werden im Endeffekt hohe Ansprüche an die Applikationstechnik gestellt.
Somit sollte für jeden Einzelfall individuell geprüft werden welche Wärmeleitfähigkeit tatsächlich erforderlich ist.