Auswahl der Dicke von Wärmeleitpads für Elektronik

Um die Dicke eines Wärmeleitpads für Elektronik auszuwählen, messen Sie zunächst den tatsächlichen Spalt zwischen der Wärmequelle und der Kühlfläche. Wählen Sie anschließend ein Pad, das den maximalen Spalt ausfüllt und gleichzeitig beim minimalen Spalt innerhalb des empfohlenen Kompressionsbereichs bleibt. Das ausgewählte Pad sollte vollständigen Kontakt herstellen, ohne übermäßige mechanische Belastung zu verursachen. Seine endgültige komprimierte Dicke sollte den Wärmewiderstand innerhalb des Auslegungsziels halten.

Einfach ausgedrückt: das dünnste Wärmeleitpad wählen Block das zuverlässig den gesamten Spalt ausfüllt Toleranz Variation, ohne die Baugruppe übermäßig zu komprimieren.

Die Dicke eines Wärmeleitpads sollte nicht allein anhand des Nennspalts ausgewählt werden. Ingenieure müssen außerdem Spalttoleranz, Kompressionsverhältnis, Pad-Härte, Anpressdruck, Wärmeleitfähigkeit, thermische Impedanz, elektrische Isolierung, Oberflächenebenheit, Vibrationen, Temperaturwechsel und den langfristigen Druckverformungsrest berücksichtigen.

Warum die Dicke von Wärmeleitpads wichtig ist

Wärmeleitpads werden verwendet, um Wärme von elektronischen Bauteilen auf Kühlkörper, Metallgehäuse, Chassis, Kühlplatten oder Umhausungen zu übertragen. Sie kommen häufig zum Einsatz, wenn der Spalt für Wärmeleitpaste zu groß oder ungleichmäßig ist, aber dennoch eine saubere, reproduzierbare thermische Anbindung erforderlich ist.

Die Dicke eines Wärmeleitpads ist entscheidend, da die Wärme das Pad durchdringen muss, bevor sie die Kühlfläche erreicht. Ein dickeres Pad führt in der Regel zu einem höheren Wärmewiderstand. Ein dünneres Pad verbessert üblicherweise die Wärmeübertragung, jedoch nur, wenn es beide Oberflächen vollständig berührt.

Daraus ergibt sich ein praktischer Zielkonflikt:

• Ist das Pad zu dünn, berührt es möglicherweise nicht beide Oberflächen.
• Ist das Wärmeleitpad zu dick, kann dies den Wärmewiderstand und die mechanische Belastung erhöhen.
• Ist das Pad zu hart, lässt es sich möglicherweise nicht ausreichend komprimieren.
• Ist das Pad zu weich, kann es sich zu stark verformen oder schwierig zu handhaben sein.

Die richtige Dicke gewährleistet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeleistung und mechanischer Sicherheit.

Weitere Informationen zum allgemeinen Zusammenhang zwischen Dicke und Wärmeübertragung finden Sie im Artikel von HakTak: Wie sich die Dicke der Klebefuge auf die thermische Leistung auswirkt.

Was versteht man unter der Dicke eines Wärmeleitpads?

Die Dicke des Wärmeleitpads bezeichnet die Dicke des Pads im Lieferzustand vor der Montage. Je nach Material und Anwendung sind gängige Dicken beispielsweise 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm, 2.0 mm, 3.0 mm und größer.

Ingenieure sollten jedoch zwischen drei Dickenwerten unterscheiden.

Der wichtigste Wert für die thermische Leistung ist in der Regel die endgültige Dicke im komprimierten Zustand, auch Klebschichtdicke genannt. Dies ist die tatsächliche Dicke, die die Wärme während des Betriebs durchdringen muss.

Beginnen Sie mit der Messung des tatsächlichen Spalts

Der erste Schritt besteht darin, den tatsächlichen Spalt zu messen. Verlassen Sie sich nicht ausschließlich auf die CAD Nennmaße, es sei denn, das Design befindet sich noch in einer frühen Konzeptphase.

Tatsächliche Spaltmaße können aufgrund folgender Faktoren von CAD abweichen:

• Komponentenhöhentoleranz
• Leiterplattendicke-Toleranz
• Höhe der Lötstelle
• Ebenheit des Kühlkörpers
• Passungstoleranz
• Schraubenanzugsmoment-Schwankung
• Verzug der Leiterplatte
• Wärmeausdehnung
• Montageaufbau

Mindest-, Nenn- und Maximalspalt messen

Für eine gute Auswahl der Schichtdicke werden drei Werte benötigt:

• Mindestabstand: der kleinstmögliche Abstand nach Berücksichtigung der Toleranzkette
• Nennspaltmaß: das erwartete konstruktive Spaltmaß
• Maximales Spaltmaß: der größtmögliche Abstand nach Aufsummierung aller Toleranzen

Beispielsweise kann eine Konstruktion ein Nennspaltmaß von 1.0 mm aufweisen, während der tatsächliche Toleranzbereich zwischen 0.8 mm und 1.25 mm liegen kann. Ein ausschließlich für 1.0 mm ausgewähltes Pad kann versagen, wenn die Baugruppe einen der beiden Extremwerte erreicht.

Physikalische Validierung verwenden

Zu den nützlichen Methoden zur Spaltmessung gehören:

• Fühlerlehren
• Knetmasse oder komprimierbare Spaltmessfolien
• Laser-Wegmessung
• Inspektion von CMM
• Querschnittsanalyse
• Versuchsaufbau mit Witness-Material
• Analyse der mechanischen Toleranzkette

Für die Großserienproduktion ist die physische Validierung wichtig, da kleine Toleranzfehler große thermische Schwankungen zwischen den Einheiten verursachen können.

Kompressionsverhältnis verstehen

Wärmeleitpads sind für die Kompression ausgelegt. Durch die Kompression kann das Pad Unebenheiten der Oberfläche ausfüllen, Luftspalten beseitigen und den Kontakt verbessern. Das Pad muss jedoch innerhalb eines sicheren Kompressionsbereichs bleiben.

Das Kompressionsverhältnis lässt sich wie folgt berechnen:

Kompressionsverhältnis = (ursprüngliche Dicke – komprimierte Dicke) / ursprüngliche Dicke × 100%

Wenn beispielsweise ein 1.5 mm Pad auf 1.2 mm komprimiert wird:

(1.5 – 1.2) / 1.5 × 100% = 20% Kompression

HakTak hat einen speziellen Leitfaden zu diesem Thema: Wie sich die Kompression auf die Leistung von Wärmeleitpads auswirkt.

Warum der Kompressionsbereich wichtig ist

Ein Wärmeleitpad muss über den gesamten Spaltbereich funktionieren.

Wenn der Mindestspalt sehr klein ist, kann das Pad zu stark komprimiert werden. Wenn der maximale Spalt groß ist, hat das Pad möglicherweise nicht genügend Kontakt.

Dies wird als Kompressionsfenster bezeichnet.

Die gewählte Pad-Dicke muss allen drei Bedingungen standhalten.

Eine praktische Methode zur Auswahl der Wärmeleitpad-Dicke

Ein praktischer Auswahlprozess sieht folgendermaßen aus:

• Messen Sie den minimalen, nominalen und maximalen Spalt.
• Verfügbare Spannkraft oder Schraubenkraft ermitteln.
• Geeignete Pad-Dicken auswählen, die den maximalen Spalt abdecken.
• Kompression bei minimalem und nominalem Spalt prüfen.
• Härte des Pads sowie Druckverformungsdaten prüfen.
• Schätzen Sie die endgültige Klebschichtdicke.
• Vergleichen Sie die thermische Impedanz bei realistischem Anpressdruck.
• Prüfen Sie mechanische Spannungen und elektrische Isolierung.
• Validieren Sie die Verbindung in der realen Baugruppe.
• Testen Sie nach Temperaturwechselzyklen und Alterung.

Dieser Prozess erfordert mehr Aufwand, als einfach ein Pad entsprechend dem nominalen Spalt zu wählen, reduziert jedoch Ausfälle im Feld und Produktionsschwankungen.

Beispiel: Auswahl der Pad-Dicke anhand des Spaltbereichs

Angenommen, eine elektronische Baugruppe weist Folgendes auf:

• Mindestspalt: 0.85 mm
• Nennspalt: 1.00 mm
• Maximaler Spalt: 1.20 mm
• Zielkompression: 15-30%

Mögliche Pad-Ausführungen:

In diesem Fall kann ein 1.2 mm-Pad nur dann geeignet sein, wenn der maximale Spalt weiterhin ausreichend Anpressdruck erhält. Ein weicheres 1.5 mm-Pad könnte funktionieren, wenn die Baugruppe eine höhere Kompression beim minimalen Spalt toleriert. Die endgültige Entscheidung erfordert eine Validierung hinsichtlich Kraft, thermischer und mechanischer Eigenschaften.

Wärmeleitwiderstand und Pad-Dicke

Der Wärmewiderstand steigt mit zunehmender Dicke. Für einen vereinfachten Wärmeweg:

R = t / (k × A)

Wo

• R ist thermischer Widerstand
• t ist die endgültige Pad-Dicke
• k ist Wärmeleitfähigkeit
• A Kontaktfläche

Das bedeutet, dass die Pad-Dicke die Wärmeleitfähigkeit überwiegen kann. Ein dickes Pad mit hohem W/mK-Wert kann schlechter abschneiden als ein dünneres Pad mit mittlerem W/mK-Wert, wenn die endgültige Bondline deutlich dicker ist.

Eine ausführlichere Erläuterung finden Sie im Artikel von HakTak: Warum ein hoher W/mK-Wert nicht immer eine bessere Kühlleistung bedeutet.

Leitfähigkeit allein reicht nicht aus

Ein 10 W/mK Pad ist nicht automatisch besser als ein 5 W/mK Pad. Wenn das 10 W/mK Pad zu dick, zu hart oder schlecht komprimiert ist, kann sein tatsächlicher Wärmewiderstand höher sein.

Ingenieure sollten vergleichen:

• Wärmeleitfähigkeit
• Wärmeimpedanz
• Endkomprimierte Dicke
• Anpressdruck
• Kompressionsbereich
• Oberflächenbenetzung
• Langzeitstabilität

HakTaks Artikel Wärmeleitfähigkeit vs. Wärmewiderstand bei der TIM-Auswahl erklärt, warum die thermische Impedanz oft aussagekräftiger ist als W/mK allein.

Auswahl von Pad-Härte und -Dicke

Die Dicke kann nicht ohne die Härte ausgewählt werden. Ein dickes weiches Pad und ein dickes hartes Pad verhalten sich sehr unterschiedlich.

Weiche Pads

Weiche Wärmeleitpads sind nützlich, wenn:

• Der Druck ist begrenzt
• Komponenten sind empfindlich
• Die Oberflächen sind uneben.
• Leiterplattenbiegung muss minimiert werden
• Mehrere Komponentenhöhen müssen abgedeckt werden

Weiche Pads können Spalten leichter ausfüllen, sind jedoch möglicherweise empfindlicher, schwieriger zu handhaben oder weniger dimensionsstabil.

Harte Pads

Härtere Pads lassen sich unter Umständen leichter verarbeiten und sind formstabiler. Sie können gut geeignet sein, wenn der Spalt kontrolliert ist und die Baugruppe ausreichend Druck ausübt.

Allerdings können harte Pads Spannungen verursachen, wenn sie zu dick sind oder nicht ausreichend komprimiert werden. Außerdem passen sie sich möglicherweise rauen oder unebenen Oberflächen nicht an.

Dicke und Kraft müssen aufeinander abgestimmt sein

Die richtige Frage lautet:

Kann das Block Erreicht die Dicke innerhalb der verfügbaren Kraftgrenze die erforderliche endgültige Klebschichtdicke?

Falls nicht, kann das Pad laut Datenblatt zwar gut erscheinen, im Produkt jedoch versagen.

Oberflächenebenheit und Kontaktfläche

Die Dicke des Wärmeleitpads hängt auch davon ab, wie eben und parallel die Oberflächen sind.

Wenn Kühlkörper und Bauteil eben und parallel zueinander sind, kann ein dünneres Pad ausreichend sein. Bei geneigten, verzogenen oder rauen Oberflächen kann ein dickeres oder weicheres Pad erforderlich sein, um den Kontakt aufrechtzuerhalten.

Häufige Ursachen für ungleichmäßigen Kontakt sind:

• Bearbeitungstoleranz für Kühlkörper
• Gehäuseverformung
• PCB-Verformung
• Variationen in der Bauteilhöhe
• Ungleichmäßiges Schraubendruck
• Temperaturausdehnungsmischung

Wenn der Spalt auf einer Seite der Kontaktfläche 0.5 mm und auf der anderen Seite 1.0 mm beträgt, kann ein Pad mit gleichmäßiger Dicke ungleichmäßig komprimiert werden. Dies kann zu lokalen Überhitzungen und mechanischen Spannungen führen.

Bei Baugruppen aus mehreren Komponenten können Wärmeleitkitt oder Gap-Filler mitunter besser geeignet sein als ein Standardpad. Der Artikel von HakTak Wärmeleitpaste vs. Wärmeleitpad: Wie man bei ungleichmäßigen Spalten die richtige Wahl trifft erläutert diesen Zielkonflikt.

Elektrische Isolierung und Dicke

Viele Wärmeleitpads sind elektrisch isolierend. In der Leistungselektronik muss das Pad möglicherweise sowohl die Wärmeübertragung als auch die dielektrische Isolation gewährleisten.

Dickere Wärmeleitpads können die elektrische Durchschlagsfestigkeit erhöhen, steigern jedoch auch den Wärmewiderstand. Dünnere Wärmeleitpads können die thermische Leistung verbessern, müssen jedoch weiterhin die Isolationsanforderungen erfüllen.

Ingenieure sollten prüfen:

• Durchschlagfestigkeit
• Spezifischer Durchgangswiderstand
• Durchbruchspannung
• Anforderungen an Kriech- und Luftstrecken
• Auswirkungen von Kompression auf Dämmstoffe
• Alterung nach Temperaturwechselbeanspruchung

Dies ist besonders wichtig in:

• Elektrofahrzeug-Wechselrichter
• Netzteile
• IGBT-Module
• MOSFET-Baugruppen
• LED-Treiber
• Industrielle Motorantriebe

Wenn die Isolierung sicherheitskritisch ist, muss die Auswahl der Wärmeleitmaterialien mit den Anforderungen an die elektrische Sicherheit abgestimmt werden.

Anwendungsbezogene Hinweise zur Schichtdicke

Die nachstehende Tabelle dient als allgemeine Orientierung. Die endgültige Auswahl sollte stets anhand der realen Baugruppe validiert werden.

When a Thermal Pad May Not Be the Best Choice

Thermal pads are useful, but they are not always the best TIM.

Choose thermal grease or paste when:

• The interface is very thin and flat
• Strong clamping pressure is available
• Eine saubere Verarbeitung ist weniger wichtig
• Die geringstmögliche Klebschichtdicke wird benötigt

HakTaks Artikel Tipps zum Auftragen von Wärmeleitpaste und ihre Funktionsweise erläutert die Aspekte beim Auftragen von Wärmeleitpaste.

Wählen Sie PCM-Wärmeleitpads, wenn:

• Sie eine Handhabung wie bei Pads benötigen
• Die Schnittstelle kann die Aktivierungstemperatur erreichen
• Nach dem Erwärmen ist eine bessere Benetzung erforderlich
• Reproduzierbarkeit in der Produktion ist entscheidend

Siehe PCM-Wärmeleitpads erklärt für weitere Einzelheiten.

Wählen Sie Wärmeleitkitt oder Gap Filler, wenn:

• Die Abstände sind ungleichmäßig
• Unterschiedliche Bauteilhöhen
• Der Druck ist begrenzt
• Die Baugruppe weist eine komplexe Geometrie auf.

Wählen Sie wärmeleitfähige Vergussmassen, wenn:

• Komponenten müssen gekapselt werden
• Umweltschutz ist erforderlich
• Wärme muss durch ein ausgefülltes Volumen geleitet werden
• Mechanische Unterstützung ist erforderlich

HakTaks Leitfaden für wärmeleitfähige Vergussmassen in der Elektronik erläutert diese Kategorie.

Prüfung der Wärmeleitpad-Dicke

Die Auswahl des Wärmeleitpads sollte durch Tests bestätigt werden. Datenblattwerte sind hilfreich, können jedoch die Validierung der Baugruppe nicht ersetzen.

Nützliche Tests umfassen:

• Spaltmessung
• Druck-Verformungs-Prüfung
• Thermische Impedanzprüfung
• Temperaturprüfung des Geräts
• Prüfung der elektrischen Isolierung
• Temperaturwechselbeanspruchung
• Schwingungsprüfung
• Prüfung des Druckrestsatzes
• Neuauswertung

ASTM D5470 wird häufig als Referenz für die Wärmeübertragungseigenschaften wärmeleitender elektrischer Isoliermaterialien herangezogen und ist für Prüfungen der TIM-Impedanz von großer Bedeutung. Ingenieure können den offiziellen ASTM-Eintrag hier einsehen: ASTM D5470.

Für eine umfassendere Messung der thermischen Eigenschaften polymerer Werkstoffe beschreibt ISO 22007-2 das Verfahren mit einer transienten ebenen Wärmequelle zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit von Kunststoffen. Die offizielle Seite zu ISO finden Sie hier: ISO 22007-2:2022.

HakTaks Artikel Gängige TIM-Prüfstandards, die Ingenieure kennen sollten gibt einen praxisnahen Überblick darüber, wie sich diese Methoden in die Auswahl von TIM einfügen.

Häufige Fehler bei der Auswahl der Wärmeleitpad-Dicke

Der erste Fehler besteht darin, die Dicke des Wärmeleitpads nur auf den Nennspalt abzustimmen. Reale Baugruppen weisen Toleranzbereiche auf.

Der zweite Fehler besteht darin, ein dickeres Pad “nur zur Sicherheit” zu wählen. Eine übermäßige Dicke erhöht den Wärmewiderstand und kann mechanische Spannungen verursachen.

Der dritte Fehler besteht darin, die Härte außer Acht zu lassen. Ein zu hartes Pad lässt sich möglicherweise nicht ausreichend komprimieren, während sich ein sehr weiches Pad zu stark verformen kann.

Der vierte Fehler besteht darin, die Wärmeleitfähigkeit zu vergleichen, ohne die endgültige Schichtdicke zu prüfen. Ein Pad mit einem hohen W/mK-Wert kann trotzdem schlecht funktionieren, wenn die Grenzschicht zu dick ist.

Der fünfte Fehler besteht darin, bei unrealistischem Druck zu testen. Ein bei hohem Labordruck getestetes Pad erzielt in einem Gerät mit niedrigem Druck möglicherweise nicht die gleiche Leistung.

Der sechste Fehler besteht darin, den langfristigen Druckverformungsrest zu ignorieren. Ein Pad kann nach Alterung oder thermischen Zyklen seine Anpresskraft verlieren.

Der siebte Fehler besteht darin, die elektrische Isolierung zu vergessen. Ein dünneres Pad kann zwar die Wärmeübertragung verbessern, aber die Anforderungen an die elektrische Isolierung nicht erfüllen.

HakTak Perspektive

Bei HakTak wird die Dicke eines Wärmeleitpads sowohl als thermische als auch als mechanische Konstruktionsentscheidung betrachtet. Ein Pad muss den Spalt ausfüllen, sicher komprimiert werden können, den Kontakt aufrechterhalten, die erforderliche Isolierung gewährleisten und den Wärmewiderstand langfristig niedrig halten.

Für eine zuverlässige Empfehlung sollten Ingenieure Folgendes bereitstellen:

• Minimaler, nominaler und maximaler Spalt
• Kontaktfläche
• Leistung der Wärmequelle
• Oberflächenmaterialien
• Verfügbarer Druck oder Schraubenanzugsdrehmoment
• Komponentenhöhentoleranz
• Leiterplattensteifigkeit
• Erforderliche Isolierung
• Betriebstemperaturbereich
• Anforderungen an Vibrationen und Temperaturwechsel
• Erwartungen neu ausrichten
• Produktionsmontageverfahren

Anhand dieser Informationen kann ein Lieferant die geeignete Dicke, Härte, Wärmeleitfähigkeitsklasse, den Kompressionsbereich und den Materialtyp genauer empfehlen.

Die optimale Dicke eines Wärmeleitpads ist nicht die dickste Variante, die den Spalt ausfüllt. Es ist die dünnste Variante, die den Spalt im ungünstigsten Fall ausfüllt, im günstigsten Fall sicher komprimiert wird und über die gesamte Produktlebensdauer einen zuverlässigen thermischen Kontakt aufrechterhält.

Fazit

Bei der Auswahl der Dicke eines Wärmeleitpads für Elektronik reicht es nicht aus, das Pad an den Nennspalt anzupassen. Zu berücksichtigen sind außerdem Spalttoleranz, Kompressionsgrad, Pad-Härte, endgültige Dicke der Verbindungsschicht, Wärmewiderstand, Anpressdruck, elektrische Isolierung und Langzeitzuverlässigkeit.

Generell verringern dünnere Wärmeleitpads den Wärmewiderstand, allerdings nur, wenn sie beide Oberflächen vollständig kontaktieren. Dickere Pads können größere Spalten ausgleichen, erhöhen jedoch den Wärmewiderstand und können mechanische Spannungen verursachen. Die richtige Pad-Dicke ist diejenige, die über den gesamten Toleranzbereich funktioniert und dabei die thermische und mechanische Stabilität der Baugruppe gewährleistet.

Für die Elektronikfertigung sollte die endgültige Auswahl durch praxisnahe Prüfungen der Kompression, der thermischen Impedanz, der Bauteiltemperatur und der Zuverlässigkeit validiert werden.

Häufig gestellte Fragen

Wie wähle ich die richtige Dicke eines Wärmeleitpads aus?

Messen Sie den minimalen, nominalen und maximalen Spalt und wählen Sie anschließend ein Pad, das den maximalen Spalt ausfüllt und beim minimalen Spalt innerhalb des empfohlenen Kompressionsbereichs bleibt.

Sollte ein Wärmeleitpad dicker sein als der Spalt?

In der Regel ja: Das unkomprimierte Pad ist oft etwas dicker als der Spalt, damit es sich komprimieren lässt und vollständigen Kontakt herstellt. Die erforderliche Kompression hängt vom empfohlenen Kompressionsbereich des Pads ab.

Was passiert, wenn ein Wärmeleitpad zu dünn ist?

Ist das Pad zu dünn, berührt es möglicherweise nicht beide Oberflächen, wodurch Luftspalte entstehen und der Wärmewiderstand steigt.

Was passiert, wenn ein Wärmeleitpad zu dick ist?

Ist das Pad zu dick, kann es den Wärmewiderstand erhöhen, den PCB verbiegen, Komponenten belasten, das Gehäuse verformen oder die Montage erschweren.

Bedeutet ein dickeres Wärmeleitpad eine bessere Kühlung?

Nein. Dickere Pads erhöhen in der Regel den Wärmewiderstand. Ein dickeres Pad ist nur dann sinnvoll, wenn es zum Ausfüllen des Spalts benötigt wird.

Wie stark sollte ein Wärmeleitpad komprimiert werden?

Es gibt keinen universell gültigen Wert. Die richtige Kompression hängt von Padmaterial, Härte, Dicke, Spalttoleranz und verfügbarem Anpressdruck ab. Die Herstellerangaben sind zu beachten und durch Montageprüfungen zu verifizieren.

Ist die Wärmeleitfähigkeit wichtiger als die Dicke?

Beides ist wichtig. Die Wärmeleitfähigkeit spielt eine Rolle, doch die endgültige Dicke im komprimierten Zustand und die Kontaktqualität wirken sich maßgeblich auf die tatsächliche thermische Leistung aus.

Kann ich Wärmeleitpads stapeln, um die Dicke zu erhöhen?

Das Stapeln von Pads wird in der Regel nicht empfohlen, da dadurch zusätzliche Grenzflächen und Kontaktwiderstände entstehen. Ein einzelnes, korrekt ausgewähltes Pad ist meist die bessere Wahl.

Sind weiche Wärmeleitpads besser für ungleichmäßige Spaltmaße geeignet?

Weiche Pads können sich bei niedrigem Druck besser anpassen, bringen jedoch möglicherweise Kompromisse bei der Handhabung oder Stabilität mit sich. Für stark ungleichmäßige Spalte können Wärmeleitkitt oder Gap Filler besser geeignet sein.

Sollte die Dicke des Wärmeleitpads nach der Alterung geprüft werden?

Ja. Druckverformungsrest, Temperaturwechsel und Vibrationen können den Anpressdruck im Laufe der Zeit verändern. Daher sind Zuverlässigkeitsprüfungen wichtig.