Thermal Interface Materials – Überblick und Anwendung

Thermal Interface Materials (TIM’s) werden im Bereich der Elektronik eingesetzt, um eine effiziente Wärmeableitung sicherzustellen und lokale Temperaturüberlastungen zu verhindern. Dadurch gewährleisten sie eine zuverlässige und stabile Funktion von elektrischen Geräten und Komponenten.

Was sind Thermal Interface Materials?

Mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur 0,0263 W/MK ist Luft der schlechteste Wärmeleiter überhaupt. Lufteinschlüsse zwischen Bauteilen sollten daher vermieden werden, um einen Wärmestau zu verhindern. Hierbei helfen TIM’s, die durch Unebenheiten, Toleranzen oder Rauheit bedingten Lücken schließen und dafür sorgen, dass keine Luftspalten entstehen. Die thermischen Zwischenmaterialien gibt es in diversen Ausführungen, beispielsweise als:

• Wärmeleitpasten,
• Wärmeleitkleber,
• Grafit- und Aluminiumfolien,
• Schaum- und GEL-Folien,
• einseitig- und doppelseitig klebende Wärmeleitfolien,
• Phase Change Materials (PCM’s),
• silikonhaltige und silikonfreie Elastomere,
• Kapton- und Glimmerscheiben,
• Aluminiumoxydmaterialien.

In vielen Fällen ist es nicht einfach, das richtige Zwischenmaterial zu finden. Ein ausreichend gut ausgelegtes Wärmemanagement ist jedoch unabdingbar für die optimale Funktion und eine lange Lebensdauer elektronischer Bauteile.

Gap Filler bzw. Vergussmasse

Paste

Pads

Pads als Stapel bzw. Stack

Welche TIM’s eignen sich für welchen Einsatzzweck?

Nicht jedes Material eignet sich als Universalmittel für sämtliche Anwendungsgebiete in der Elektronik. Um das perfekte TIM zu finden, müssen Entwickler im Bereich der Materialforschung unterschiedlichste Materialeigenschaften wie den thermischen Widerstand, die Wärmeleitfähigkeit, die thermische Impedanz, die mechanischen Toleranzen der Kontaktpaarung, den Temperaturbereich, die Umweltverträglichkeit und viele weitere berücksichtigen.

Welches Wärmeleitmaterial sich am besten eignet, hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Die drei Hauptarten der TIM’s sind Wärmeleitfolien, Wärmeleitpasten und Wärmeleitkleber. Diese unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich ihrer Verwendung, der Schichtdicke, der elektrischen Isolation und der Wärmeleitfähigkeit.

Wärmeleitpasen

Zur Erzeugung von Wärmeübergangsschichten, beispielsweise zwischen einer Wärmesenke und einem elektronischen Bauelement, kommen häufig Wärmeleitpasten zur Anwendung. Diese werden üblicherweise in sehr geringen Schichtstärken von maximal circa 50 µm aufgebracht. Größere Bauteilabstände lassen sich damit nicht überbrücken. In der Praxis wird nicht selten übermäßig viel Paste verwendet. Allerdings ist ein zu sparsames Auftragen oftmals kritischer, da hierdurch unter Umständen nicht alle Lufteinschlüsse ausgeglichen werden.

Phase Change Materials

Eine Weiterentwicklung herkömmlicher Wärmeleitpasten sind Phase Change Materials. Als Plattenmaterial besitzen diese TIM’s eine durchgehende Schichtdicke, die eine saubere direkte Montage auf der Wärmesenke ermöglicht. Darüber hinaus zeichnen sich PCM’s durch ihre Phasenänderungstemperatur aus. Bei einer Temperatur von 45 bis 55 °C geht die Konsistenz dieser Materialien von fest in weich über. Dadurch fließen sie in alle Zwischenräume der damit beaufschlagten Bauteile. Wird die Phasenänderungstemperatur wieder unterschritten, geht das jeweilige Medium in den Ausgangszustand zurück, ohne dass die Verbindung zu den Kontaktstellen abreißt.

Oberflächenbeschaffenheit und Auswahl eines TIM´s

Um Wärmeleitpasten oder -kleber verwenden zu können, sollten die Oberflächen in Bezug auf die Toleranz nahezu ideal sein. Kann das nicht gewährleistet werden oder ist die Handhabung dieser Materialien zu aufwendig, kommen meist Folien zum Einsatz. Damit lassen sich Luftspalte von bis zu 5 Millimetern ausgleichen. Allerdings ist wegen der größeren Stärke der Wärmewiderstand dieser TIM’s höher.

Hauptverwendungsgebiete thermischer Zwischenmaterialien

Die Vielzahl der in unterschiedlichsten Verfahren hergestellten Thermal Interface Materials verdeutlicht einen Wandel in der Best-Design-Praxis. Zunehmend verschwindet die Luftkühlung in der Elektronik zugunsten von immer mehr Kühlkörpern und einer Verbindung heißer Bauelemente zu Metallgehäusen und anderen wärmeabführenden Oberflächen.

Diese Veränderung kommt auch der oftmals gewünschten Miniaturisierung der Baugruppen zugute. Eine höhere Bauteildichte verringert das zur Kühlung verfügbare Luftvolumen und hindert zugleich die noch vorhandene Luft am Zirkulieren. Deshalb wird in Systemen, in denen ursprünglich Lüfter für eine erzwungene Luftkühlung zum Einsatz kamen, heute meist ein lüfterloses Design bevorzugt.

TIM´s in der Praxis

TIM’s kommen mittlerweile in den unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung, beispielsweise in der Kfz-Elektronik, im Sektor Computer, Speicher und Gaming, in der Optoelektronik sowie in der Luft- und Raumfahrt. Darüber hinaus ermöglichen sie ein ausgezeichnetes Wärmemanagement in Elektronikverpackungen, Haushaltsgeräten, der Beleuchtungstechnik, der Medizintechnik und in der industriellen Automatisierung.

Hochgenaue Messungen als Grundlage für optimales Wärmemanagement

Aufgrund der ungezählten möglichen Einsatzfelder und der immensen Materialvielfalt stellen Thermal Interface Materials die Materialforschung vor große Herausforderungen. Das thermische Management im Bereich der Elektronik ist äußerst komplex und erfordert exakte Kenntnisse bezüglich der Materialeigenschaften der eingesetzten TIM’s.

Ermitteln lassen sich diese Spezifika mit dem Thermal-Interface-Material-Tester, der die thermische Impedanz von thermischen Grenzflächenmaterialien wie Wärmeflüssigkeiten, Wärmeleitpasten, elastischen Wärmeleitern und Phasenwechselmaterialien misst und deren wahrscheinliche Wärmeleitfähigkeit bestimmt.

Mit diesem Wissen ist es möglich, die Zusammenarbeit von Komponenten und Schnittstellenmaterialien zu perfektionieren und ein optimales Wärmemanagement für komplexe Elektronik-Anwendungen zu entwickeln.