Ja, Wärmeleitpads lassen sich physisch übereinanderlegen. Zwei dünne Pads entsprechen jedoch nicht automatisch einem Pad mit derselben Gesamtdicke.
Jede zusätzliche Schicht bildet eine weitere Kontaktfläche. Diese mittlere Trennfläche kann den Wärmewiderstand erhöhen, Luft einschließen, Verunreinigungen ansammeln, unter Scherbeanspruchung verrutschen oder die Druckkraft ungleichmäßig verteilen. Ein kurzer Temperaturtest mag zwar zufriedenstellend ausfallen, doch die langfristige Zuverlässigkeit bleibt dennoch ungewiss.
Für eine vorübergehende, risikoarme Reparatur kann ein sorgfältig zusammengesetzter Stapel nach einer Prüfung und einem Temperaturtest geeignet sein. Für die Serienfertigung, die Automobilelektronik, medizinische Geräte, Luft- und Raumfahrtsysteme, Hochspannungs-Leistungsmodule oder andere Geräte, bei denen es auf Zuverlässigkeit ankommt, ist in der Regel ein einziges qualifiziertes Pad mit der richtigen Dicke die bessere Lösung.
Im Klartext: Eine Stapelung ist möglich. Sie ist jedoch selten die technische Lösung erster Wahl.
Warum Ingenieure es in der Regel vermeiden, Wärmeleitpads übereinander zu schichten
Ein Wärmeleitpad wird zwischen einer Wärmequelle und einer Kühlfläche angebracht. Seine Aufgabe besteht darin, die isolierende Luft zu ersetzen, sich an die Oberflächenrauheit anzupassen und einen stabilen Wärmepfad zu schaffen.
Bei einem Pad sieht der Wärmepfad wie folgt aus: Wärmequelle -> Wärmeleitpad -> Kühlkörper
Es gibt zwei Hauptschnittstellen:
- Wärmequelle zum Pad
- Wärmeleitpad
Bei zwei Pads lautet der Pfad wie folgt: Wärmequelle -> Kontaktfläche 1 -> Kontaktfläche 2 -> Kühlkörper
Nun gibt es drei Kontaktstellen. Die neue Grenze zwischen den Pads ist dabei das Problem.
Mit bloßem Auge mögen die beiden Schichten glatt erscheinen. Auf mikroskopischer Ebene weisen sie jedoch nach wie vor Oberflächenstruktur, Füllstoffpartikel, Unterschiede in der Klebrigkeit, Staub und winzige Lufteinschlüsse auf. Durch Druck lassen sich diese Hohlräume zwar verringern, doch die Grenzfläche verschwindet dadurch nicht.
Ein Stack kann funktionieren, ohne das beste Design zu sein
Diese Unterscheidung ist wichtig:
- Kann es Wärme übertragen? Oftmals, ja.
- Dose es einen kurzen Banktest bestehen? Möglicherweise.
- Wird sich jede Produktionseinheit gleich verhalten? Weniger sicher.
- Bleibt es auch nach jahrelanger Beanspruchung durch Radfahren und Vibrationen stabil? Dafür braucht man Beweise.
Stellen Sie sich zwei Matratzen vor, die so übereinandergestapelt sind, dass sie die Höhe einer dicken Matratze erreichen. Die Höhe mag zwar übereinstimmen, doch die Art und Weise, wie sich der Stapel verformt, zusammenpresst und die Last trägt, ist eine andere.
Das ist mehr oder weniger das, was hier passiert, nur dass dabei Wärme im Spiel ist.
Wie eine zusätzliche Schnittstelle den thermischen Widerstand verändert
Der Wärmewiderstand ist der Widerstand gegen den Wärmefluss. Ein geringerer Widerstand bedeutet im Allgemeinen, dass Wärme mit einem geringeren Temperaturanstieg durch die Grenzfläche fließen kann.
Für eine vereinfachte Schnittstelle mit einem einzigen Pad: Rsingle = Rc,heiß + t/kA + Rc, kalt
Wo:
- Rc,heiß ist der Kontaktwiderstand an der heißen Oberfläche.
- t ist die Dicke des komprimierten Polsters.
- k ist die Wärmeleitfähigkeit durch die Ebene.
- A ist die effektive Kontaktfläche.
- Rc,kalt ist der Kontaktwiderstand an der Kühlfläche.
Bei zwei übereinanderliegenden Pads: Rstack = Rc,heiß + t1/k1A + Rc,1-2 + t2/k2A + Rc,kalt
Der neue Begriff lautet Rc,1-2, der Kontaktwiderstand zwischen den beiden Kontaktflächen.
Verdoppelt sich der Wärmewiderstand durch das Übereinanderlegen?
Nein. Diese Behauptung ist zu vereinfachend.
Wenn zwei Pads aus demselben Material bestehen und ihre kombinierte Dicke im komprimierten Zustand der eines dickeren Pads entspricht, kann der Anteil der Volumenleitung ähnlich sein. Das Problem liegt in der zusätzlichen Schnittstelle in der Mitte und dem weniger vorhersehbaren mechanischen Verhalten.
Die Höhe der Strafe hängt ab von:
- Anpressdruck
- Pad-Modul
- Oberflächenrauhigkeit
- Oberflächenhaftung
- Eingeschlossene Luft
- Kontamination
- Verteilung des Füllstoffs
- Temperatur
- Kompressionsverlauf
Ein Open-Access-Artikel Untersuchung des Kontaktwiderstands von Wärmeleitpads berichteten, dass der Kontaktwiderstand bei den in dieser Arbeit modellierten Fällen 2,21 TP3T bis 45,851 TP3T des gesamten thermischen Widerstands ausmachte. Dieser Bereich sollte nicht direkt in ein Produktdesign übernommen werden. Er verdeutlicht jedoch, warum die Kontaktbedingungen nicht außer Acht gelassen werden dürfen.
Die Wärmeleitfähigkeit ist nicht die einzige Antwort
Ein W/mK-Wert beschreibt das Verhalten des Materials als Ganzes. Er berücksichtigt nicht alle tatsächlichen Grenzflächeneffekte, es sei denn, dies geht aus der angegebenen Methode und den Bedingungen hervor.
Wenn Sie ein einzelnes Pad mit einem Stapel vergleichen, achten Sie auf Folgendes:
- Enddicke nach Verdichtung
- Thermische Impedanz
- Anpressdruck
- Anzahl der Schnittstellen
- Oberflächenkonformität
- Gerätetemperatur
- Langfristige Stabilität
HAKTAKs Erläuterung zu Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur thermischen Impedanz liefert weitere Hintergründe zu diesem Unterschied.
Entsprechen zwei 0,5-mm-Wärmeleitpads einem 1,0-mm-Pad?
Nicht unbedingt.
Ihre Nennstärke beträgt insgesamt 1,0 mm. Die Rechnung ist korrekt. Die installierte Schnittstelle kann sich dennoch anders verhalten.
Die Nenndicke ist nur der Ausgangspunkt
Jedes Blech weist seine eigene Fertigungstoleranz auf. Bei zwei Blechen können sich diese Toleranzen in derselben Richtung addieren.
Zum Beispiel:
- Pad 1 hat eine Nennstärke von 0,5 mm, misst jedoch 0,54 mm.
- Pad 2 hat nominell einen Durchmesser von 0,5 mm, misst jedoch 0,54 mm.
- Die Gesamtdicke des gelieferten Stapels beträgt 1,08 mm, nicht 1,00 mm.
Dieser Unterschied mag gering erscheinen. In einem fest eingespannten GPU-Kühler oder einem flachen Laptop-Gehäuse kann er jedoch den Kontakt zu einer anderen Komponente verändern.
Die Komprimierung erfolgt möglicherweise nicht gleichmäßig
Angenommen, ein 1,0 mm dicker Stapel muss in einen 0,85 mm breiten Spalt passen. Die nominelle Gesamtkompression beträgt 15%.
Sind beide Schichten identisch und werden gleichmäßig belastet, können sie sich jeweils in etwa im gleichen Maße zusammenpressen. Ist eine Schicht weicher, kann sie den Großteil der Bewegung auffangen.
| Bauwesen | Nenn-Gesamtdicke | Installierter Abstand | Hauptanliegen |
| Ein 1,0-mm-Pad | 1,0 mm | 0,85 mm | Prüfen Sie, ob die Kompression 15% innerhalb der Herstellerangaben liegt |
| Zwei identische 0,5-mm-Pads | 1,0 mm | 0,85 mm | Mittlere Schnittstelle und Ausrichtung hinzugefügt |
| Weich 0,5 mm plus hart 0,5 mm | 1,0 mm | 0,85 mm | Die weiche Schicht kann den größten Teil der Kompression aufnehmen |
| Zwei selbstklebende 0,5-mm-Pads | Mehr als 1,0 mm einschließlich Klebstoff | 0,85 mm | Erhöhte PSA-Beständigkeit und höhere Kraft |
Bei der Materialauswahl durch einfache Addition werden Toleranzen, Haftfestigkeit, Härte und Kontakt nicht berücksichtigt.
Für eine genauere Methode messen Sie den tatsächlichen Abstand und befolgen Sie die Anleitung von HAKTAK, um Auswahl der Dicke des Wärmeleitpads.
Die Kompression lässt sich in einem Pad-Stack immer schwerer vorhersagen
Wärmeleitpads müssen zusammengedrückt werden, damit sie sich an die Oberflächen anpassen. Bei zu geringem Druck entstehen Luftspalten. Zu starker Druck kann die Baugruppe überlasten.
Die grundlegende Berechnung lautet:
Stauchung (%) = (Lieferdicke – Einbaudicke) / Lieferdicke × 100
Führen Sie den Test bei minimalem, nominalem und maximalem Spalt durch.
Zwei Schichten teilen sich die Last möglicherweise nicht
Die Kompression hängt vom Spannungs-Dehnungs-Verhalten der einzelnen Polster ab. Die Shore-Härte liefert zwar einen nützlichen Anhaltspunkt, gibt jedoch keinen vollständigen Überblick über die Kraft-Durchbiegungs-Kurve.
Wenn verschiedene Materialien übereinandergestapelt werden:
- Die weichere Schicht kann sich stark zusammenpressen.
- Die härtere Schicht bleibt möglicherweise nahezu unverändert.
- Der Anpressdruck ist möglicherweise nicht gleichmäßig.
- Die mittlere Schicht kann sich wellen oder Falten bilden.
- Eine Schicht kann möglicherweise früher herausragen.
Selbst Polster mit derselben angegebenen Härte können sich aufgrund des Füllstoffanteils, der Verstärkung, der Oberflächenbeschichtung und der Prüfverfahren unterschiedlich verhalten.
HAKTAK’s Vergleich zwischen weichen und harten Wärmeleitpads erläutert, warum die Härte und die verfügbare Montagekraft gemeinsam berücksichtigt werden müssen.
Die Gesamtfläche beeinflusst den Kraftbedarf
Der Zusammenhang ist einfach: Kraft = Druck × Fläche
Ein großes Polster erfordert eine höhere Gesamtkraft, um denselben durchschnittlichen Druck zu erreichen. Durch das Übereinanderlegen entsteht keine zusätzliche Klemmkraft. Vielmehr müssen die vorhandenen Schrauben, Klammern, Federn oder das Gehäuse eine komplexere Schnittstelle zusammenpressen.
Befindet sich die Baugruppe bereits nahe an ihrer Belastungsgrenze, kann das Hinzufügen einer weiteren Schicht:
- Die Leiterplatte biegen
- Den Kühlkörper neigen
- Spannungsbeanspruchte Lötstellen
- Zerbrechliche Pakete verladen
- Eine dünne Abdeckung verformen
- Kontakte an anderen Orten reduzieren
HAKTAKs Leitfaden zu Kompressionsverhältnis des Wärmeleitpads zeigt, warum das Kompressionsfenster eine mechanische Sicherheitseinrichtung enthalten muss.
Luftblasen, Fehlausrichtung und Verunreinigungen zwischen den Polstern
Die mittlere Schnittstelle muss ebenso sauber und vollständig sein wie die beiden äußeren Flächen. Bei Reparaturarbeiten ist das schwieriger, als es klingt.
Zwischen den Schichten kann Luft verbleiben
Luft kann aus folgenden Gründen in den mittleren Zwischenraum eindringen:
- Oberflächenstruktur
- Umgeschlagene Ecken
- Ungleichmäßige Anordnung
- Staub oder Fasern
- Fingerabdrücke
- Ein zuvor komprimiertes Polster
- Falten, die beim Entfernen der Auskleidung entstanden sind
Wenn man den Stapel stärker zusammendrückt, lassen sich möglicherweise einige Hohlräume verringern. Dies kann jedoch an anderer Stelle zu einer zu hohen Belastung führen.
Eine Fehlausrichtung verringert die effektive Fläche
Wenn zwei 20 × 20 mm große Pads um 2 mm versetzt sind, verringert sich die gesamte Überlappungsfläche. Die freiliegende Kante kann zudem einen Steckverbinder, ein Bauteil oder einen elektrischen Sicherheitsabstand beeinträchtigen.
Aussparungen und Löcher machen die Ausrichtung empfindlicher. Eine Schraubenöffnung, die in der ersten Schicht noch in Ordnung aussieht, kann sich teilweise schließen, wenn sich das zweite Pad verschiebt.
Sollte zwischen zwei Pads Wärmeleitpaste aufgetragen werden?
Normalerweise nicht.
Wärmeleitpaste dient dazu, mikroskopisch kleine Unebenheiten an der Oberfläche einer dünnen, festgeklemmten Schnittstelle auszugleichen. Sie ist nicht dazu gedacht, als struktureller Abstandhalter zwischen dicken Abstandskissen zu dienen.
Das Auftragen von Paste zwischen den Pads führt zu:
- Ein anderes Material
- Eine weitere Auftragsdicke
- Erhöhtes Kontaminationsrisiko
- Zwischen den Schichten rutschen
- Unordnung bei der Nachbearbeitung
- Mögliche Auspumpung oder Migration
- Geringe Wiederholgenauigkeit der Produktion
Eine kontrollierte, vom Hersteller entwickelte Beschichtung ist etwas anderes. Sie weist eine festgelegte Zusammensetzung, ein festgelegtes Verfahren, eine festgelegte Dicke und eine festgelegte Qualifizierung auf. Bei einer in der Reparaturwerkstatt aufgetragenen Beschichtung ist dies nicht der Fall.
Risiken für die mechanische Zuverlässigkeit, die über die Temperatur hinausgehen
Ein mehrlagiges Polster kann eine erste Temperaturprüfung bestehen und später dennoch mechanisch versagen.
Scherung und Gleitbewegung
Bauteile, Leiterplatten, Aluminiumgehäuse und Kupferkühlplatten dehnen sich unterschiedlich stark aus. Durch Erwärmung und Abkühlung entstehen kleine Bewegungen an der Grenzfläche.
Bei einem Kontaktpad tritt die Scherung hauptsächlich an den äußeren Kontaktstellen und im Inneren des nachgiebigen Materials auf. Bei zwei Kontaktpads kann die mittlere Grenzfläche zu einer weiteren Gleitebene werden.
Vibrationen und Stöße können dies in folgenden Fällen verschlimmern:
- Fahrzeuge
- Industriemaschinen
- Schienenfahrzeuge
- Telekommunikationssysteme für den Außenbereich
- Tragbare Elektronikgeräte
- Server während des Transports
Delaminierung und Kantenaustritt
Weiche Schichten können sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit nach außen drücken. Ein Polster kann sich verschieben, während das andere am Kühlkörper haften bleibt.
Zu den möglichen Beweisen gehören:
- Versetzte Kanten
- Ein sichtbarer Absatz zwischen den Schichten
- Faltenbildung
- Ecken mit Rissen
- Reduzierte Überlappung
- Öl oder Rückstände an der mittleren Grenzfläche
Dauerdeformation und ungleiche Rückstellung
Der Druckverformungsrest ist die bleibende Verformung, die nach dem Zusammendrücken eines Polsters zurückbleibt.
Zwei Schichten können unterschiedlich altern. Nach längerer Hitzeeinwirkung:
- Eine Schicht könnte sich wieder erholen.
- Das andere kann flach bleiben.
- Der Anpressdruck kann sich verändern.
- Die mittlere Grenze kann sich lokal öffnen.
Ein kurzer Starttest lässt dieses Verhalten nicht erkennen.
Auch die elektrische Isolierung kann sich ändern
Das Übereinanderlegen von zwei elektrisch isolierenden Unterlegscheiben kann die Nennisolationsdicke erhöhen. Dies führt jedoch nicht automatisch zu einem sichereren dielektrischen System.
Überprüfen:
- Enddicke nach Verdichtung
- Ausgerichtete Kanten
- Durchstich an scharfen Kanten
- Verschmutzung zwischen den Schichten
- Klebeverbindung
- Kriechweg und Luftstrecke
- Zersetzungsverhalten nach Alterung
Graphitplatten erfordern besondere Sorgfalt, da Graphit elektrisch leitfähig sein kann. Die Kombination von Graphit und Silikonmaterialien sollte als technisch ausgearbeitetes Laminat betrachtet werden und nicht als bloße Schichtung.
Kann man verschiedene Arten oder Marken von Wärmepads übereinanderlegen?
Das ist riskanter, als zwei Exemplare desselben Produkts übereinander zu stapeln.
| Stapelkombination | Hauptanliegen | Standardempfehlung |
| Gleiches Produkt und gleiche Charge | Schnittstelle, Luft und Ausrichtung hinzugefügt | Nur für den vorübergehenden Gebrauch oder als Prototyp nach Überprüfung |
| Gleiches Produkt, unterschiedliche Stärke | Toleranz und Kompressionsaufteilung | Wählen Sie eine passende Dicke aus |
| Verschiedene Marken | Unbekannte Wechselwirkung zwischen Modul, Haftkraft und Füllstoff | Ohne umfassende Tests vermeiden |
| Weiches Polster plus hartes Polster | Die weiche Schicht nimmt die größte Belastung auf | Als provisorische Lösung vermeiden |
| Zwei Klebepads | Erhöhte Klebefestigkeit und schwierige Nachbearbeitung | Nur verwenden, wenn vom Lieferanten zugelassen |
| Silikon- und silikonfreies Polster | Bedenken hinsichtlich mechanischer Fehlanpassung und Verunreinigungen | Nur vermeiden, wenn dies absichtlich beabsichtigt ist |
| Silikonpolster plus Graphitfolie | Richtungsabhängiger Wärmefluss und elektrische Gefahren | Verwenden Sie eine hochwertige Laminatkonstruktion |
| Phasenwechsel-Folie plus Abstandshalter | Aktivierung und Schichtbewegung | Das gesamte System validieren |
Die Farbe zweier Dämpfplatten ist kein Beweis für deren Kompatibilität. Das Gleiche gilt für denselben W/mK-Wert.
Die Materialangaben sollten Folgendes enthalten:
- Artikelnummer
- Dicke
- Härte oder Elastizitätsmodul
- Kraft-Durchbiegungs-Daten
- Oberflächenhaftung
- Klebstoff und Verstärkung
- Betriebstemperatur
- Dielektrische Eigenschaften
- Druckverformungsrest
Wann das Übereinanderstapeln von Wärmeleitpads akzeptabel sein kann
Es gibt Situationen, in denen ein Stapel toleriert werden kann. Das entscheidende Wort ist “kann”.”
Vorübergehende Reparatur mit geringem Risiko
Ein temporärer Stack kommt in Betracht, wenn:
- Das passende Polster ist nicht sofort verfügbar.
- Die Ausrüstung birgt nur ein geringes Risiko.
- Die genaue Lücke ist hinreichend bekannt.
- Beide Polster sind sauber und unbeschädigt.
- Die Temperatur kann überwacht werden.
- Die Benutzeroberfläche kann erneut geöffnet und überprüft werden.
- Der Stapel wird später ausgetauscht.
Dies ist eine Übergangslösung, keine dauerhafte Materialspezifikation.
Prototyp oder erste technische Bewertung
Gestapelte Blätter können bei der Schätzung helfen:
- Ungefährer Abstand
- Erforderliche Dicke
- Passform des Kühlkörpers
- Druckempfindlichkeit
- Ob ein weicheres Material benötigt wird
Kennzeichnen Sie den Prototyp deutlich. Behelfsmäßige Lösungen haben die seltsame Angewohnheit, zu Serienkonstruktionen zu werden, wenn niemand vermerkt, dass sie nur vorübergehend gedacht waren.
Vom Lieferanten entwickelte Laminate
Manche thermische Materialien bestehen konstruktionsbedingt aus mehreren Schichten:
- Glasfaserverstärkung
- PET- oder PEN-Folie
- Haftkleber
- Wärmeverteiler aus Graphit
- Elektrische Isolierfolie
- Schutzschicht
Es handelt sich hierbei nicht um improvisierte Stapel. Der Hersteller kontrolliert die Laminierung, die Dicke, die Schnittstellen und die Prüfungen. Die fertige Konstruktion wird als ein einziges Produkt geliefert.
Wann Sie Wärmepads nicht übereinanderlegen sollten
Bei schwerwiegenden Ausfallfolgen oder hohen Zuverlässigkeitsanforderungen sollte das Stapeln standardmäßig abgelehnt werden.
| Situation | Entscheidung | Grund |
| Prüfstand-Prototyp mit Überwachung | Bedingt | Nützlich zum Lernen, aber nicht auf Lebenszeit garantiert |
| Vorübergehende Reparatur mit geringem Risiko | Bedingt | Ersetzen, sobald das richtige Material verfügbar ist |
| GPU für Endverbraucher mit gemeinsamer Kühlplatte | Erhebliche Vorsicht | Die Stapelhöhe kann den Kontakt zum GPU-Chip verringern |
| Großserienfertigung | In der Regel ablehnen | Die Wiederholbarkeit und Rückverfolgbarkeit sind unzureichend |
| Hardware für die Automobil-, Medizin- oder Luft- und Raumfahrtindustrie | Ablehnen, sofern nicht formell qualifiziert | Umwelt- und Zuverlässigkeitsanforderungen |
| Hochspannungs-Leistungselektronik | Ablehnen, sofern nicht qualifiziert | Dielektrische und mechanische Risiken |
| Umgebung mit starken Vibrationen | Ablehnen, sofern nicht qualifiziert | Verschiebung und Schichtbewegung |
| Vom Lieferanten entworfenes Laminat | Möglicherweise akzeptabel | Die Konstruktion wird als ein einziges Produkt geprüft und getestet |
Verwenden Sie in einem kritischen Stapel keine unbekannten Reststücke, bereits komprimierte Polster oder gemischte Materialien. Die wenigen Dollar, die Sie dadurch sparen, sind es nicht wert, die Historie der Schnittstelle zu verlieren.
Anordnung von Wärmeleitpads in GPUs und VRAM
Bei GPU-Reparaturen taucht diese Frage am häufigsten auf.
Eine Kühlplatte für eine Grafikkarte kann Kontakt haben mit:
- GPU-Chip
- VRAM-Baugruppen
- MOSFETs
- Drosseln
- Bereiche der Rückplatte
Diese Schnittstellen haben die gleichen Schrauben und die gleiche Position des Kühlkörpers.
Sind gestapelte VRAM-Pads zu dick oder zu hart, können sie die Kühlplatte über dem GPU-Chip festhalten. Die Speichertemperatur kann sich zwar verbessern, während die Temperaturen des GPU-Kerns und an den Hotspots jedoch stark ansteigen.
Bevor ein Stapel genehmigt wird:
- Überprüfen Sie die ursprüngliche Dicke der Bremsbeläge und deren Materialverhalten.
- Entfernen Sie alle Schutzfolien.
- Überprüfen Sie nach einer kontrollierten Probeeinpassung den Abdruck der Wärmeleitpaste auf der GPU.
- Überprüfen Sie die Abdrücke der Bremsbeläge.
- Ziehen Sie den Kühler in der angegebenen Reihenfolge fest.
- Überwachen Sie die Leistung des Prozessorkerns, die Hotspots, den Speicher und das Lüfterverhalten.
Beurteilen Sie den Erfolg nicht allein anhand der VRAM-Temperatur.
Kann man Kühlpads auf einer SSD übereinanderlegen?
In einer Umgebung mit geringem Risiko mag das zwar funktionieren, doch die Bedenken bleiben bestehen.
M.2-SSDs können an folgenden Stellen unterschiedliche Höhen aufweisen:
- Steuergerät
- NAND-Bausteine
- DRAM
- Etiketten
- Komponenten auf der Rückseite
Bei einigen Kühlkörpern kommen kleine Klammern oder dünne Abdeckungen zum Einsatz. Die Klemmkraft kann dabei begrenzt sein. Ein dicker Stapel kann die SSD-Leiterplatte verbiegen oder dazu führen, dass sich das Gehäuse nicht richtig schließen lässt.
Bei doppelseitigen Antrieben sollten Sie beide Seiten überprüfen. Es bringt nicht viel, den oberen Spalt zu beheben, während der untere überlastet wird.
Verwenden Sie das dünnste Material, das den Kontakt zwischen den vorgesehenen Bauteilen gewährleistet, ohne dass sich die Platine verbiegt.
Kumulierende Risiken in den Bereichen Leistungselektronik, Batterien, LEDs und Server
MOSFETs und IGBT-Module
Diese Baugruppen erfordern häufig sowohl elektrische Isolierung als auch Wärmeübertragung. Durch das Stapeln ergeben sich Unsicherheiten hinsichtlich der Dicke des komprimierten Dielektrikums, der Durchstoßfestigkeit, des Drehmoments und des Verhaltens bei wiederholten Ein- und Ausschaltzyklen.
EV-Batterien und BMS-Elektronik
Große Kontaktflächen können einen erheblichen Kraftaufwand erfordern. Batteriemodule sind zudem Vibrationen, dem Kontakt mit Kühlmittel, einer langen Lebensdauer und strengen Rückverfolgbarkeitsanforderungen ausgesetzt. Behelfsmäßige Stapelkonstruktionen sind keine geeignete Standardlösung.
LED-Module
Eine ungleichmäßige Kompression kann unter einer LED-Platine lokale Überhitzungsstellen verursachen. Eine längere Wärmeeinwirkung kann zudem dazu führen, dass sich die beiden Schichten unterschiedlich verändern.
KI-Server und Hochleistungsbeschleuniger
Bei Server-Hardware wird großer Wert auf eine reproduzierbare Montage und hohe Verfügbarkeit gelegt. Ein Pad-Stack, der zwar Zeit bei der Beschaffung spart, kann jedoch bei vielen teuren Geräten zu einem erhöhten Betriebsrisiko führen.
Telekommunikation und industrielle Steuerungstechnik
Fernüberwachungsgeräte können über Jahre hinweg ununterbrochen in Betrieb sein. Die Qualifizierung sollte Temperaturwechselprüfungen, gegebenenfalls Schwingungsprüfungen sowie thermische Überprüfungen nach der Alterung umfassen.
Bessere Alternativen zum Stapeln von Wärmeleitpads
Verwenden Sie ein Pad in der richtigen Stärke
Das ist normalerweise die sauberste Lösung.
Ein Pad bietet:
- Weniger Schnittstellen
- Einfacheres Kompressionsverhalten
- Bessere Rückverfolgbarkeit
- Leichtere Montage
- Sauberere Nachbearbeitung
- Zuverlässigere Prüfung
Bei Produktionsprogrammen gilt: a Maßgeschneidertes Design für Wärmeleitpads kann Dicke, Härte, Klebkraft, Form, Trägermaterial, Verpackung und Validierung gemeinsam festlegen. HAKTAK unterstützt außerdem Silikon-Wärmeleitpads als Bogen, Rolle und in kundenspezifischen Stanzformaten.
Verwenden Sie „Thermal Putty“ für ungewöhnliche oder variable Spalten
Thermoknetmasse lässt sich besser anpassen als eine starre Platte. Sie eignet sich für:
- Verschiedene Höhen der Bauteile
- Unebene Oberflächen
- Schwer messbare Lücken
- Niedriger verfügbarer Druck
- Frühzeitige Designvalidierung
Der Nachteil liegt in der Prozesssteuerung. Auftragsmenge, Platzierung, Rückstände und Bewegung müssen weiterhin berücksichtigt werden. Der Leitfaden von HAKTAK zu Wärmeleitpaste im Vergleich zu Wärmeleitpads erläutert, wann welches Format geeignet ist.
Verwenden Sie einen Einweg-Spaltfüller
A wärmeleitender Spaltfüller kann komplexe Geometrien und große Toleranzen bei geringer Montagebelastung abdecken.
Dazu ist die Beherrschung folgender Aspekte erforderlich:
- Mischungsverhältnis für Zweikomponentensysteme
- Abgegebenes Volumen
- Perlenform
- Hohlräume
- Heilung
- Nacharbeit
- Produktionsanlagen
Auch hier gibt es kein Wundermaterial. Es gibt lediglich eine bessere Lösung für die jeweilige Oberfläche.
Den mechanischen Stapel korrigieren
Manchmal wird das Pad damit beauftragt, ein mechanisches Problem zu beheben.
Zu den besseren Optionen könnten gehören:
- Bearbeitung des Kühlkörpers
- Einfügen eines kontrollierten Metallabstandshalters
- Änderung der Feder- oder Befestigungsvorrichtung
- Verbesserung der Ebenheit der Gehäuse
- Komponenten mit unterschiedlichen Höhenbereichen trennen
- Verringerung der nominalen Lücke
Wenn für die Konstruktion immer drei Pads erforderlich sind, um den Kühlkörper zu erreichen, könnte der Kühlkörper der Teil sein, der einer Überprüfung bedarf.
So überprüfen Sie gestapelte Wärmeleitpads, wenn ein Stapeln unvermeidbar ist
Wenn ein Stapel verwendet werden muss, ist dieser als neue Wärmeleitkonstruktion zu behandeln.
Schritt 1: Beide Materialien identifizieren
Eintrag:
- Hersteller und Artikelnummer
- Losnummer
- Nennstärke und Toleranz
- Härte
- Wärmeleitfähigkeit
- Thermische Impedanzbedingungen
- Klebstoff oder Verstärkung
- Betriebstemperatur
- Dielektrische Eigenschaften
Schritt 2: Den tatsächlichen Spalt messen
Legen Sie den Mindest-, Nenn- und Maximalabstand fest. Berücksichtigen Sie dabei die Toleranzen für Bauteile, Lötstellen, Leiterplatten, Gehäuse, Kühlkörper und Befestigungselemente.
Schritt 3: Berechnung von Kompression und Kraft
Berechnen Sie die nominale Gesamtkompression und prüfen Sie anschließend, wie sich die einzelnen Schichten die Dehnung aufteilen könnten.
Wenn keine Kraft-Durchbiegungs-Daten vorliegen, weist die Konstruktion eine wesentliche Unbekannte auf. Ein Handdrucktest ist kein Ersatz dafür.
Schritt 4: Steuerung der mittleren Schnittstelle
Verwendung:
- Saubere, unbenutzte Pads
- Unbeschädigte Auskleidungen bis zur Montage
- Ausgerichtete Kanten und Ausschnitte
- Keine Falten
- Keine nicht zugelassene Paste
- Eine dokumentierte Verlegungsmethode
Schritt 5: Vergleich mit einer einteiligen Kontrollgruppe
Maßnahme:
- Bauteil-Temperatur
- Temperatur am Hotspot
- Wärmewiderstand, soweit möglich
- Montagekraft
- Enddicke
- Abweichungen zwischen den einzelnen Einheiten
Ein praktischer NEDC-Stapelversuch stellten zwar einen zusätzlichen thermischen Nachteil fest, hielten diesen in diesem speziellen Test jedoch nicht für statistisch signifikant. Die Autoren wiesen zudem darauf hin, dass keine Zuverlässigkeitsprüfungen durchgeführt wurden. Genau aus diesem Grund sollte ein einzelnes Ergebnis nicht als allgemeingültige Regel angesehen werden.
Schritt 6: Zuverlässigkeitstests durchführen
Je nach Produkt sind folgende Angaben zu machen:
- Wärmealterung
- Thermisches Zyklieren
- Aus- und Wiedereinschalten
- Vibration
- Mechanischer Stoß
- Druckverformungsrest
- Luftfeuchtigkeit
- Exposition gegenüber Flüssigkeiten
- Dielektrische Prüfung
Überprüfen Sie nach dem Test die Ausrichtung und die mittlere Schnittstelle.
Schritt 7: Festlegung der Abnahmekriterien
Legen Sie vor dem Testen Grenzen fest:
- Maximaler Temperaturanstieg
- Maximale Abweichung pro Einheit
- Mindestkontaktfläche
- Zulässige Bewegung
- Enddicke nach Verdichtung
- Maximale Kraft oder Durchbiegung der Leiterplatte
- Durchschlagfestigkeit
- Thermische Veränderung nach der Alterung
Ohne Akzeptanzgrenzen wird das Testen zu einer Ansammlung interessanter Zahlen.
Normen und Prüfverfahren für die Stapelung von Wärmeleitpads
Es gibt keine Norm, die pauschal besagt, dass alle gestapelten Wärmeleitpads sicher sind.
ASTM D5470 für die thermische Impedanz
ASTM D5470-17(2024) behandelt die thermische Impedanz im stationären Zustand und die scheinbare Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien.
Prüfen Sie zum Stapeln die gesamte Konstruktion. Bei einer separaten Prüfung der einzelnen Pads wird die mittlere Schnittstelle nicht erfasst.
Das Verfahren basiert auf festgelegten Bedingungen. Der Messwert kann nicht ohne Berücksichtigung von Druck, Dicke, Fläche und Wärmefluss direkt auf jedes reale Produkt übertragen werden.
Druckfestigkeit, Härte und Druckverformungsrest
Zu den nützlichen Methoden können gehören:
- ASTM D575 zur Bestimmung des Druck-Durchbiegungsverhaltens
- ASTM D2240 zur Bestimmung der Härte nach Durometer
- ASTM D395 für den Druckverformungsrest
Diese Prüfungen beschreiben unterschiedliche Eigenschaften. Die Shore-Härte allein lässt keine Rückschlüsse auf die Gesamtmontagekraft zu.
Umgebungsbeständigkeit
Die Verfahren nach IEC 60068 können Prüfungen hinsichtlich Temperaturwechsel, Vibration, Stoßbelastung und feuchter Hitze abdecken.
Die Wärmeleitverbindung sollte nach der Exposition überprüft werden. Ein Wärmeleitpad, das physisch noch vorhanden ist, kann sich dennoch verschoben haben oder einen erhöhten Wärmewiderstand aufweisen.
Eine praktische Checkliste zum Stapeln von Wärmeleitpads
Fragen Sie vor dem Stapeln:
- Gibt es ein Pad in der richtigen Stärke?
- Wurde die tatsächliche Lücke gemessen?
- Sind die Mindest-, Nenn- und Höchsttoleranzen bekannt?
- Handelt es sich bei beiden Polstern um dasselbe Material?
- Ist die mittlere Schnittstelle sauber und vollständig ausgerichtet?
- Reicht die Kraft bei der Montage aus, ohne dass es zu Beschädigungen kommt?
- Könnte der Stapel den Kontakt zu einer anderen Komponente verringern?
- Ist eine elektrische Isolierung erforderlich?
- Wird das Produkt Vibrationen oder Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt sein?
- Ist das nur vorübergehend, oder wurde der Stapel bereits offiziell qualifiziert?
Wenn mehrere Antworten unbekannt sind, halten Sie inne und klären Sie die Unstimmigkeiten, anstatt ein weiteres Blatt hinzuzufügen.
Schlussfolgerung
Wärmeleitpads lassen sich zwar übereinanderlegen, doch physikalische Machbarkeit ist nicht gleichbedeutend mit technischer Gleichwertigkeit.
Zwei 0,5-mm-Pads können dieselbe Nenndicke wie ein 1,0-mm-Pad aufweisen. Dennoch entsteht dadurch eine zusätzliche Kontaktfläche in der Mitte. Diese Grenzfläche kann zu Wärmewiderstand, eingeschlossener Luft, Verunreinigungen, Fehlausrichtung, ungleichmäßiger Kompression, Gleitbewegungen und Risiken für die Langzeitzuverlässigkeit führen.
Bei einer Reparatur mit geringem Risiko kann ein vorübergehender Stapel akzeptabel sein, wenn der Spalt bekannt ist und die Temperaturen überwacht werden können. Für die Serienfertigung oder Elektronik mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen sollten Sie ein Pad mit der richtigen Dicke, ein qualifiziertes Laminatmaterial, Thermokitt, einen dosierbaren Spaltfüller oder eine angepasste mechanische Konstruktion verwenden.
Wenn sich das Stapeln nicht vermeiden lässt, testen Sie den gesamten Stapel unter realistischen Druckbedingungen. Wiederholen Sie anschließend die thermischen, mechanischen und elektrischen Prüfungen nach der Alterung und der Umwelteinwirkung.
Kurz gesagt? Ein korrektes Pad ist in der Regel besser als zwei fast korrekte.
Häufig gestellte Fragen
Kann man Wärmepads übereinanderlegen?
Ja, Wärmeleitpads können physisch übereinandergestapelt werden. In der Regel ist es jedoch besser, ein einziges Pad mit der richtigen Dicke zu verwenden, da durch das Stapeln eine weitere Kontaktfläche entsteht und dadurch die Kompression, die Ausrichtung sowie das Langzeitverhalten weniger vorhersehbar werden.
Entsprechen zwei 0,5-mm-Wärmeleitpads einem 1,0-mm-Pad?
Ihre Nenndicke ist zwar gleich, ihr Verhalten im eingebauten Zustand muss jedoch nicht unbedingt dasselbe sein. Zwei Unterlegscheiben fügen eine zusätzliche Schicht in der Mitte hinzu und kombinieren zwei Dickentoleranzen. Außerdem können sie sich ungleichmäßig zusammenpressen, insbesondere wenn die Materialien unterschiedliche Härten aufweisen.
Erhöht das Übereinanderstapeln von Wärmeleitpads den Wärmewiderstand?
In der Regel führt dies zu einem gewissen Widerstand, da die Wärme eine zusätzliche Schnittstelle zwischen den Dichtungen überwinden muss. Das Ausmaß dieses Anstiegs hängt vom Druck, vom Material, vom Oberflächenzustand, von eingeschlossener Luft und von der Gesamtdicke im komprimierten Zustand ab. Der Widerstand verdoppelt sich dadurch jedoch nicht automatisch.
Kann Wärmeleitpaste zwischen zwei Wärmeleitpads aufgetragen werden?
Davon wird generell abgeraten. Paste fügt eine weitere, nicht kontrollierbare Materialschicht hinzu und kann zu Verrutschen, Verschmutzungen, Materialwanderung oder ungleichmäßiger Schichtdicke führen. Verwenden Sie Paste zwischen den Pads nur als Teil einer vom Lieferanten genehmigten und geprüften Konstruktion.
Können Wärmepads verschiedener Marken übereinandergelegt werden?
Sie können zwar miteinander kombiniert werden, das Ergebnis ist jedoch schwer vorhersehbar. Verschiedene Marken können unterschiedliche Härtegrade, Elastizitätsmodule, Füllstoffe, Klebrigkeit, Verstärkungen und Dickentoleranzen aufweisen. Vermeiden Sie die Kombination verschiedener Marken, es sei denn, die gesamte Konstruktion wurde getestet.
Können Wärmeleitpads auf dem VRAM der GPU übereinandergeschichtet werden?
Ein provisorischer Stapel mag zwar funktionieren, kann aber auch dazu führen, dass sich die gemeinsam genutzte Kühlplatte vom GPU-Chip abhebt. Überprüfen Sie die ursprüngliche Pad-Spezifikation, den Aufdruck der Wärmeleitpaste, die Abdrücke der Pad-Kompression, die Reihenfolge der Schrauben, die Speichertemperatur, die GPU-Kerntemperatur und die Hotspot-Temperatur.
Können Wärmeleitpads auf einer SSD übereinandergeschichtet werden?
Das ist zwar möglich, aber eine zu große Dicke kann die SSD-Leiterplatte verbiegen oder einen leichten Kühlkörperclip überlasten. Überprüfen Sie die Höhe des Controllers und der NAND-Speicherchips auf beiden Seiten des Laufwerks sowie die endgültige Form der Leiterplatte. Ein Softpad in der richtigen Größe ist vorzuziehen.
Wie bestimmt man die richtige Dicke eines Wärmeleitpads?
Messen Sie den zusammengebauten Mindest-, Nenn- und Maximalabstand und nicht nur das CAD-Maß. Berücksichtigen Sie dabei die Bauteilhöhe, das Lot, die Verformung der Leiterplatte, die Ebenheit des Gehäuses, die Toleranz des Kühlkörpers und die Schraubenkraft. Wählen Sie anschließend ein Pad aus, das innerhalb des empfohlenen Kompressionsbereichs liegt.
Was sollte man verwenden, wenn die genaue Dicke der Unterlage nicht bekannt ist?
Die besten Optionen sind ein Pad mit individueller Dicke, eine geeignete Wärmeleitpaste, ein einmalig verwendbarer Spaltfüller oder ein mechanischer Abstandhalter bzw. ein Austausch des Kühlkörpers. Die Wahl hängt von der Spaltabweichung, dem Druck, der Sauberkeit, der elektrischen Isolierung und den Produktionsanforderungen ab.
Ist das Übereinanderstapeln von Wärmeleitpads als vorübergehende Reparatur zulässig?
Bei einer vorübergehenden Verwendung mit geringem Risiko kann dies akzeptabel sein, sofern beide Kontaktflächen sauber sind, der Abstand bekannt ist, der Kontakt bestätigt wurde und die Temperaturen überwacht werden können. Ersetzen Sie den Stapel durch das richtige, qualifizierte Material, sobald dieses verfügbar ist.
