Wichtige Kriterien für die Auswahl leistungsstarker Thermal Interface Materials

Von Unterhaltungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt – alle elektronischen Geräte benötigen aktives Thermomanagement, um Wärme effektiv von den Komponenten abzuleiten. Der Flaschenhals des Thermomanagements ist oft die Wärmeleitung zwischen wärmeerzeugenden und kühlenden Komponenten. Leider können viele elektronische Geräte aufgrund begrenzten Platzes nicht ausreichend durch Kühlkörper oder Lüfter gekühlt werden. In diesen Anwendungen ist die Leistung von Thermal Interface Materials (TIMs) noch wichtiger.

Die gängigsten Methoden zur Wärmeableitung von Hochleistungs-CPUs oder Systems-on-Chip (SoC) sind Wärmeleitpaste oder -fett. Obwohl diese Lösungen hohe Leistung bieten, haben sie Nachteile: Sie können unordentlich, zeitaufwendig und langfristig unzuverlässig sein. Zudem sind herkömmliche hochleitfähige (>20 W/mK) TIMs bekanntermaßen teuer und mit Fertigungsschwierigkeiten verbunden.

Was sind die Hauptfunktionen von TIMs?

Wenn ein Kühlkörper auf eine wärmeerzeugende Komponente gesetzt wird, entstehen natürlich Luftspalten. Diese erzeugen hohen thermischen Widerstand, was zu Überhitzung führt. TIMs lösen dieses Problem, indem sie Luftspalten durch thermisch leitfähige Materialien ersetzen. Dies schafft einen effizienteren thermischen Pfad, indem der Gesamtwiderstand im System verringert wird. TIMs können auch elektrische Isolation oder Klebefestigkeit bieten, ohne dass zusätzliche mechanische Befestigung nötig ist.

TIMs müssen sich Oberflächenunregelmäßigkeiten anpassen, sonst erhöht sich der thermische Widerstand an den Kontaktflächen. Ein gewisser Kontaktwiderstand ist unvermeidbar, aber jedes thermisch leitfähige Material ist besser als Luft.

Während Entwickler den dünnstmöglichen Spalt anstreben, um den thermischen Pfad zu verkürzen, muss manchmal eine gewisse Dicke beibehalten werden, um bessere Benetzung oder Kontakt auf unregelmäßigen Substraten zu erreichen. Je nach Polymertyp, Füllstofftyp und Füllgrad kann die Benetzungsfähigkeit variieren. Auch die Leistung von TIMs variiert je nach thermomechanischen Eigenschaften, Anpressdruck, Oberflächenbeschaffenheit des Substrats und Umgebung.

Faktoren bei der Auswahl von TIMs

Formfaktor

Es gibt viele Arten von Thermal Interface Materials: Fett, Gel, Pads, Paste, Bänder, Phasenwechselmaterialien (PCM) und sogar Metall. Bei der Auswahl ist es wichtig, das Produkt und seine Leistung zu kennen. Für dünne Spaltfüller werden häufig Fett oder PCM verwendet, für dicke Spalten Pads, Gel oder Knetpaste.

TIMs können auch als TIM 1, TIM 2 oder TIM 1.5 Anwendung kategorisiert werden, basierend auf ihrer Position relativ zum Die-Chip und Heatspreader oder Deckel. Beispielsweise verwendet eine TIM 1 Anwendung TIMs zwischen Die-Chip und Heatspreader/Deckel, Hauptzweck ist die Reduzierung des Kontaktwiderstands und die Ableitung extremer Hitze direkt vom Prozessor. Traditionell wird Metallsolder dafür verwendet; heute können auch Fett, Gel oder PCMs eingesetzt werden.

Eine TIM 2 Anwendung sitzt zwischen Kühlkörper und Heatspreader oder Package-Level-SoC. Hier werden typischerweise dickere TIMs wie Pads verwendet, da das Package-Level-Wärmemanagement nicht so extrem ist wie auf Chip-Ebene. Eine TIM 2 Anwendung kann Nachbearbeitbarkeit und Komprimierbarkeit erfordern, was aufgrund der Anforderungen des angebrachten Kühlkörpers mehr Spielraum lässt.

Bei einer TIM 1.5 Anwendung ist der Chip-Die direkt mit der Kühlkomponente verbunden, ohne Heatspreader. Diese TIM-Kategorie wird häufig in Mobilgeräten eingesetzt.

Gel und Paste werden manchmal Pads vorgezogen, da ihre dünneren Bondlines höhere Komprimierbarkeit und thermische Leistung ermöglichen. Thermexit™ Pads lösen beide Probleme durch hervorragende Anpassungsfähigkeit und thermische Leistung.

 

 

Thermische Leitfähigkeit

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

Physikalische & mechanische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften von TIMs wie Härte, Durchbiegung und Druckverformungsrest sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Einige Anwender bevorzugen Compounds oder Gele zum Schutz empfindlicher Komponenten, obwohl diese dosierbaren Produkte Nachteile haben können, die später besprochen werden. Es ist wichtig, das richtige TIM für Ihren Anpressdruck und Spaltdicke zu finden.

Elektrische Isolation

Ein weiterer wichtiger Faktor ist, ob ein TIM elektrisch isolierend ist oder nicht. Einige Anwendungen sind sehr empfindlich hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit. Die meisten Thermal Gap Pads bieten aufgrund ihrer relativ dicken Applikation gute elektrische Isolation, im Gegensatz zu Fett, Gel oder PCM-Produkten.

Anwendung

Bei der Auswahl eines TIMs sollten Sie die langfristige Zuverlässigkeit berücksichtigen. Heute werden viele elektronische Geräte in extrem rauen Umgebungen eingesetzt, die hohe Leistungskreisläufe erfordern. Zudem ist es für TIMs in der Automobilindustrie wichtig, unter mechanischer Vibration getestet zu werden.

Anwendungsfaktoren

Jeder Formfaktor hängt mit einem Anwendungsfaktor zusammen, wie Anpressdruck, Befestigungsmethode, Bondline-Dicke, Geometrie und Umgebung. Einfache Faktoren wie Handhabbarkeit und Umgebung können leicht vernachlässigt werden, dürfen aber nicht ignoriert werden.

Blick über das Datenblatt hinaus

Während TIM-Datenblätter nützliche Informationen liefern, sollten sie nicht die einzige Entscheidungsgrundlage sein. Viele Daten von TIM-Lieferanten stammen aus Industrienormen oder eigenen Testmethoden, um die Produktleistung zu optimieren. Dasselbe TIM-Produkt verhält sich jedoch je nach Bedingungen unterschiedlich. Typischerweise erwartet man, dass höhere thermische Leitfähigkeit bessere Leistung bringt – ist das immer der Fall? Man sollte auch fragen, ob ein TIM mit höherer Leitfähigkeit nötig ist, wenn ein niedrigerer Wert für die Anwendung ausreicht. Manchmal bringt ein überdimensioniertes TIM in einer unpassenden Anwendung nicht die erwarteten Vorteile.

Gap Pad Typ

Angenommen, wir entscheiden uns für ein Gap Pad. Bevor wir thermische Leitfähigkeit oder Komprimierbarkeit betrachten, müssen wir grundlegende Eigenschaften und Anforderungen prüfen. Zum Beispiel bestimmt die Anwendungstemperatur des Geräts die notwendige Harzchemie. Es ist auch wichtig zu wissen, ob das Gerät ein hochtemperaturbeständiges Silikon-TIM benötigt oder ein alternatives Harzsystem nutzen kann. Manche Gap Pads haben einen Glasgewebeträger, der für bestimmte Anwendungen ungeeignet sein kann. Manchmal löst bereits die richtige Dicke viele strenge thermische Probleme.

Thermexit™ Lösungen

Thermexit™ entwickelt hochleitfähige Gap Pads, die dickere Bondlines überwinden und dünne Bondline-TIMs übertreffen. Unser einzigartiges nicht-silikonisches Hochtemperaturharz kann Silikonharzchemie ersetzen und Ölverschmutzung minimieren. Unser Harzsystem ist auch ein nicht aushärtendes System, das hervorragende Langzeitleistung bietet.

 

Thermexit™ Pads sind hochkomprimierbar, um Kontaktwiderstand ohne hohe Kraft und Bauteilspannung zu minimieren. Sie lassen sich einfach per Pick-and-Place applizieren und sind von Natur aus klebrig, ohne Rückstände oder Unordnung wie Pasten oder Gele. Thermexit bietet zwei Produktlinien: Thermexit EI (elektrisch isolierend) und Thermexit HP (High Performance). Beide Pads bieten hohe thermische Leitfähigkeit von >15 W/mK bzw. 40 W/mK.

 

Für weitere Informationen besuchen Sie thermexit.com und kontaktieren Sie support@thermexit.com.