Zu berücksichtigende Faktoren bei der Auswahl von Materialien für thermische Schnittstellen

Von der Unterhaltungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt benötigen alle elektronischen Geräte ein aktives Wärmemanagement, um die Wärme effektiv von den Komponenten abzuleiten. Der Flaschenhals des Thermomanagements ist oft die Leitung zwischen wärmeerzeugenden Komponenten und kühlenden Komponenten. Leider können viele elektronische Geräte aufgrund des begrenzten Platzes keine ausreichende Kühlung durch Kühlkörper oder Lüfter erhalten. Bei diesen Anwendungen ist die Leistung von Wärmeleitmaterialien sogar noch wichtiger.

Die gebräuchlichsten Methoden zum Entziehen von Wärme aus einer Hochleistungs-Computerverarbeitungseinheit (CPU) oder einem System-on-Chip (SOC) sind Wärmeleitpaste oder -fett. Diese Lösungen bieten zwar eine hohe Leistung, haben aber auch Nachteile. Sie können chaotisch und zeitaufwändig sein und eine schlechte langfristige Zuverlässigkeit aufweisen. Darüber hinaus ist bekannt, dass herkömmliche hochleitfähige (>20 W/mK) thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs) teuer sind und mit Herstellungsschwierigkeiten und -herausforderungen verbunden sind.

Was sind die Hauptfunktionen von TIMs?

Wenn ein Kühlkörper auf einer wärmeerzeugenden Komponente platziert wird, entstehen natürlicherweise Luftspalte. Diese Luftspalte erzeugen einen hohen thermischen Widerstand, der zu einer Überhitzung führt. TIMs lösen dieses Problem, indem sie Luftspalte durch wärmeleitende Materialien ersetzen. Dies schafft einen effizienteren Wärmepfad, indem der Gesamtwärmewiderstand im System reduziert wird. TIMs können bei Bedarf auch eine elektrische Isolierung oder Klebebefestigung ohne zusätzliche mechanische Befestigung bieten.

TIMs müssen sich an Oberflächenunregelmäßigkeiten anpassen, da es sonst zu einem erhöhten Wärmewiderstand an Kontaktschichten kommt. Ein gewisser Kontaktwiderstand ist unvermeidlich, aber jedes wärmeleitende Material wäre vorteilhafter als Luft.

Während Konstrukteure einen möglichst dünnen Spalt haben möchten, um die Länge des thermischen Pfads zu verkürzen, muss manchmal eine bestimmte Dicke beibehalten werden, um eine bessere Benetzung oder einen besseren Kontakt auf unregelmäßigen Substraten zu erreichen. Je nach Polymerharztyp, Füllstofftyp und Füllgrad kann die Benetzungsfähigkeit unterschiedlich sein. Außerdem kann die Leistung von TIMs je nach thermisch-mechanischen Eigenschaften sowie Anwendungsdruck, Substratoberflächenbeschaffenheit und Umgebung variiert werden.

Bei der Auswahl von TIMs zu berücksichtigende Faktoren

Formfaktor

Es gibt viele Arten von thermischen Schnittstellenmaterialien wie Fett, Gel, Pads, Paste, Bänder, Phasenwechselmaterialien (PCM) und sogar Metall. Bei der Auswahl von TIMs ist es wichtig, mit dem Produkt und seiner Leistung vertraut zu sein. Für dünne Lückenfüller werden üblicherweise Fett oder PCM verwendet, während Benutzer für dicke Lückenfüller nach Pads, Gel oder Spachtelmasse Ausschau halten.

TIMs können auch als TIM 1-, TIM 2- oder TIM 1.5-Anwendung kategorisiert werden. Diese Kategorisierung basiert darauf, wo sie in Bezug auf den Die-Chip und den Wärmeverteiler oder Deckel eines Geräts verwendet werden. Beispielsweise verwendet eine TIM 1-Anwendung TIMs zwischen dem Die-Chip und dem Wärmeverteiler oder Deckel, und ihr Hauptzweck besteht darin, den Kontaktwiderstand zu reduzieren und extreme Wärme direkt von den Prozessoren abzuleiten. Traditionell wird für diese Anwendung Metalllot verwendet; Heutzutage können jedoch auch Fett, Gel oder PCMs verwendet werden.

Andererseits wird eine TIM 2-Anwendung zwischen dem Kühlkörper und dem Wärmeverteiler oder dem SOC auf Gehäuseebene angewendet. Diese Anwendung verwendet normalerweise dickere TIMs wie Pads, da das Wärmemanagement auf Gehäuseebene nicht so extrem ist wie auf Chipebene. Eine TIM 2-Anwendung erfordert möglicherweise Nacharbeitsfähigkeit und Komprimierbarkeit, was aufgrund der Anforderungen des angeschlossenen Kühlkörpers eine größere Wirkung ermöglicht.

In einer TIM 1.5-Anwendung steht der Chip-Die ohne Heatspreader in direktem Kontakt mit der Kühlkomponente. Diese TIM-Kategorie wird häufig in Mobilgeräten verwendet.

Gel und Paste werden manchmal Pads vorgezogen, da sie aufgrund ihrer dünneren Verbindungslinien im Vergleich zu Pads eine höhere Kompressibilität und thermische Leistung aufweisen können. Thermexit™-Pads bieten eine Lösung für beide Probleme, indem sie eine hervorragende Anpassungsfähigkeit und thermische Leistung bieten.

Wärmeleitfähigkeit

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die thermische Leistung. In einem elektronischen Gerät gibt es Komponenten, die Wärme erzeugen, und Kühlkomponenten, die bestimmen, wie viel Wärme abgeführt werden kann. Das bedeutet, dass die Umgebungstemperatur und das Vorhandensein aktiver Kühlkomponenten das Wärmebudget bestimmen können. Sobald Sie Ihr thermisches Budget kennen, können Sie entscheiden, welche Art von thermischen Schnittstellenmaterialien benötigt werden, da TIMs leicht an Ihr thermisches Design angepasst werden können.

Physikalische und mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von thermischen Schnittstellenmaterialien wie Härte, Durchbiegung und Druckverformungsrest sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Einige Benutzer bevorzugen Verbindungen oder Gele, um ihre empfindlichen Komponenten zu schützen, obwohl diese entbehrlichen Produkte Nachteile haben können, die später diskutiert werden. Es ist wichtig, das richtige TIM für Ihr Anwendungsdruck- und Spaltdickendesign zu finden.

Elektrische Isolierung

Ein weiterer wichtiger Faktor ist, ob ein TIM elektrisch isolierend ist oder nicht. Einige Anwendungen sind sehr empfindlich, wenn es um elektrische Kontinuität geht. Die meisten Thermal Gap Pads bieten aufgrund ihrer relativ dicken Anwendung eine hervorragende elektrische Isolierung, im Gegensatz zu Fett-, Gel- oder PCM-Produkten.

Bewerbung

Bei der Auswahl eines TIM sollten Sie auf langfristige Zuverlässigkeit achten. Heutzutage werden viele elektronische Geräte in extrem rauen Umgebungen eingesetzt, die hohe Leistungszyklen erfordern. Darüber hinaus ist es wichtig, dass TIMs in der Automobilindustrie unter mechanischer Vibration getestet werden.

Anwendungsfaktoren

Jeder Formfaktor steht in Beziehung zu einem Anwendungsfaktor, wie angewandter Druck, Befestigungsmethode, Dicke der Verbindungslinie, Geometrie und Umgebung. Einfache Faktoren wie einfache Handhabung und Umgebung können leicht vernachlässigt, aber nicht ignoriert werden.

Denken Sie über das Datenblatt hinaus

Obwohl die Datenblätter von TIMs nützliche Informationen liefern, sollten sie nicht die einzige Ressource sein, die bei der Auswahl von TIMs verwendet wird. Viele der Daten von TIM-Lieferanten stammen aus Industriestandards oder ihren eigenen Testmethoden, um die Leistung des Produkts zu optimieren. Dasselbe TIM-Produkt verhält sich jedoch abhängig von den Bedingungen unterschiedlich. Normalerweise würden wir erwarten, dass eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu einer besseren Leistung führt, aber ist dies immer der Fall? Außerdem sollten wir fragen, ob ein TIM mit höherer Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, wenn ein TIM mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit für die Anwendung eine ausreichende Leistung aufweisen könnte. Wenn ein TIM mit höherer Wärmeleitfähigkeit in einer Anwendung verwendet wird, die dies nicht erfordert, bietet das TIM manchmal nicht die gleichen Vorteile.

Gap-Pad-Typ 

Nehmen wir zum Schluss an, wir entscheiden uns für die Verwendung eines Gap-Pads. Bevor wir uns mit Wärmeleitfähigkeit oder Kompressibilität befassen, müssen wir uns mit den grundlegenden Eigenschaften und Anforderungen befassen. Beispielsweise bestimmt die Anwendungstemperatur des Geräts die erforderliche Harzchemie. Es ist auch wichtig zu wissen, ob das Gerät ein Hochtemperatur-Silikon-TIM benötigt oder ob es ein alternatives Harzsystem verwenden kann. Einige Gap-Pads haben einen Gewebeglasträger, der für bestimmte Anwendungen möglicherweise nicht gut ist. Manchmal kann allein die richtige Dicke viele schwerwiegende thermische Probleme lösen.

Thermexit ™Lösungen

Thermexit™ entwickelt Spaltpads mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die dickere Verbindungslinien überwinden und die thermischen Schnittstellenmaterialien mit dünnen Verbindungen übertreffen. Unser einzigartiges silikonfreies Hochtemperaturharz kann die Silikonharzchemie ersetzen und die Ölkontamination minimieren. Unser Harzsystem ist auch ein nicht aushärtendes System, das eine hervorragende Langzeitleistung bietet.

Thermexit™-Pads sind stark komprimierbar, um den Kontaktwiderstand ohne hohe Kraft- und Komponentenbelastung zu minimieren. Sie lassen sich einfach per Pick-and-Place auftragen und sind von Natur aus klebrig, ohne Rückstände oder Verschmutzungen von Pasten oder Gelen. Thermexit bietet zwei Produktlinien an:Thermexit EI (Electrically Insulating) und Thermexit HP (High Performance). Beide Pads bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit von>15 W/mK bzw. 40 W/mK.

Für weitere Informationen besuchen Sie thermexit.com und kontaktieren Sie uns unter [email protected].