Wärmeleitpaste für Hochtemperatur-Elektronik

Wärmeleitpaste für Hochtemperatur-Elektronik muss mehr leisten, als nur eine einzige Messung unter hohen Temperaturen im Labor zu überstehen. Sie muss auch bei langen Temperaturverweilzeiten, wiederholten Ein- und Ausschaltzyklen und wechselnden mechanischen Belastungen einen dünnen, durchgehenden Wärmeübertragungsweg aufrechterhalten. Das praktische Auswahlkriterium ist Stabilität. Schnittstelle Wärmebeständigkeit nach der Reifung, und nicht nur die höchste Temperatur, die in einem technischen Datenblatt angegeben ist.

Diese Unterscheidung ist bei Leistungsmodulen, Automobil-Wechselrichtern, industriellen Antrieben, HF-Verstärkern und Hochleistungsbeleuchtung von Bedeutung. Ein Schmierfett kann bei einem kurzen Labortest hervorragend abschneiden, sich dann im Betrieb jedoch langsam vom Kontaktbereich entfernen oder an Trägerflüssigkeit verlieren. Am ersten Tag passiert nichts Dramatisches. Die Gehäusetemperatur steigt lediglich Monat für Monat langsam an, was eine eher heimtückische Ausfallart darstellt.

In diesem Leitfaden wird erläutert, wie Daten zu chemischen Eigenschaften, Klebefugenstärke, Viskosität, elektrischem Verhalten und Alterung als ein einheitliches System ausgewertet werden können. Beginnen Sie mit den verfügbaren Produktfamilie für Wärmeleitpaste, und grenzen Sie die Auswahl dann anhand der tatsächlichen Schnittstelle und des Serviceprofils ein. Der Leitfaden zeigt auch, wann Fett als Wärmeleitmaterial ungeeignet ist, denn manchmal ist die beste Wahl – ganz ehrlich – gar kein Fett.

Was gilt bei elektronischer Wärmeleitpaste als hohe Temperatur?

“Hohe Temperatur” ist kein allgemeingültiger Schwellenwert. Sie hängt von der Temperatur an der Schmierstoffgrenzfläche ab, davon, wie lange die Grenzfläche dort verbleibt, und davon, wie oft sie zwischen heißen und kalten Zuständen wechselt. Eine kurzzeitige Belastbarkeit bei 200 °C bedeutet nicht automatisch, dass eine Verbindung fünf Jahre lang bei 150 °C einsetzbar ist, ebenso wenig wie eine Halbleiterübergangstemperatur von 150 °C bedeutet, dass das Schmierfett selbst 150 °C erreicht.

Spitzen-, Dauer- und zyklische Temperaturen haben unterschiedliche Bedeutungen

Ein Anbieter kann mehrere Grenzwerte veröffentlichen, die jeweils unterschiedliche Fragen beantworten:

• Lagerbereich beschreibt die Bedingungen vor der Montage und Inbetriebnahme.
• Dauerbetriebstemperatur gibt den empfohlenen Zeitraum für den Dauereinsatz an, vorbehaltlich der Prüfbedingungen des Lieferanten.
• Spitzentemperatur oder Temperaturschwankung bezieht sich auf kurze Veranstaltungen und sollte eine zulässige Dauer enthalten.
• Temperaturbereich beschreibt wiederholte Wechsel zwischen Temperaturextremen, doch die Anzahl der Zyklen, die Anstiegsgeschwindigkeit und die Verweildauer spielen nach wie vor eine Rolle.
• Sperrschichttemperatur gehört zum Halbleiter und nicht automatisch zur Fettschicht unterhalb des Gehäuses oder der Grundplatte.

Beginnen Sie mit dem eigentlichen Wärmeleitstapel. Erfassen Sie die Temperatur des Halbleiterübergangs, die Gehäuse- bzw. Grundplattentemperatur, die Temperatur an der Wärmeleitpastenschicht sowie die Temperatur der Kühlfläche jeweils separat. Der Leitfaden von Haktak zu Wie heiß kann Wärmeleitpaste werden? bietet weitere Hintergrundinformationen zur Interpretation von Temperaturangaben, doch für die tatsächliche Baugruppe sind nach wie vor ein Thermoelement oder ein validiertes thermisches Modell erforderlich.

Erstellen Sie ein Dienstprofil, nicht nur eine einzelne Begrenzung

Legen Sie für die Qualifizierung die Mindest-, Normal- und Höchsttemperaturen der Schnittstelle fest. Geben Sie außerdem die Verweildauer, die Anstiegsgeschwindigkeit, die Anzahl der Zyklen, den Betriebs- oder Ruhezustand, die Umgebungsbedingungen und die vorgesehene Lebensdauer an. Ein kontinuierlich beheizter Industrieregler verursacht andere Schmierfettprobleme als ein Kfz-Wechselrichter, der wiederholt kalt startet und unter Last schnell auf Temperatur steigt.

Auch die Ausrichtung spielt eine Rolle. Ein vertikaler Kühlkörper führt dazu, dass die erwärmte Trägerflüssigkeit einen anderen Strömungsweg nimmt als bei einer horizontalen Kühlplatte. Vibrationen, poröse Dichtungen und in der Nähe befindliche Isolierungen können die Flüssigkeit ebenfalls von der Grenzfläche wegziehen oder wegdrücken.

Wie Wärmeleitpaste Wärme in einer heißen Elektronikbaugruppe ableitet

Wärmeleitpaste verbessert die Wärmeübertragung, indem sie die isolierende Luft in mikroskopisch kleinen Vertiefungen der Oberfläche ersetzt. Sie entfaltet ihre Wirkung am besten als sehr dünner, gut benetzter und durchgehender Film zwischen zwei relativ ebenen Oberflächen. Das Gesamtergebnis an der Grenzfläche setzt sich aus dem Widerstand der Wärmeleitpaste selbst und dem Kontaktwiderstand an beiden Oberflächen zusammen, sodass die Volumeleitfähigkeit allein keine Aussage über die endgültige Temperatur des Bauteils zulässt.

Eine vereinfachte Massenbeziehung lautet:

Thermischer Widerstand = Dicke der Klebefuge / (Wärmeleitfähigkeit × Kontaktfläche)

Das ist zwar nützlich, aber echte Grenzflächen führen zu Unebenheiten, Hohlräumen, Ausbreitungseffekten und ungleichmäßiger Druckverteilung. Deshalb können zwei Werkstoffe mit demselben W/mK-Wert unterschiedliche Temperaturabfälle zwischen Gehäuse und Kühlkörper bewirken. Der Unterschied zwischen Wärmeleitfähigkeit und gemessene thermische Impedanz ist besonders wichtig, wenn man Lieferantendaten vergleicht.

Wärme ist mehr als nur Temperatur

Wenn sich das Schmierfett erwärmt, können sich seine Viskosität und sein Benetzungsverhalten ändern. Außerdem dehnen sich die Wärmequelle, die Grundplatte und der Kühlkörper unterschiedlich stark aus. Diese wiederholte Fehlanpassung kann dazu führen, dass Material an eine Kante gedrückt wird und beim Abkühlen der Baugruppe nicht vollständig zurückgezogen werden kann.

Auch der Anpressdruck ist nicht vollkommen konstant. Befestigungselemente, Federn, Gehäuse und die Ebenheit der Kontaktflächen reagieren alle auf Temperaturänderungen. Daher sind die thermische und die mechanische Auslegung tatsächlich miteinander verknüpft. Das Schmierfett als eine Art „magische graue Farbe“ zwischen zwei starren Blöcken zu betrachten, verkennt die Hälfte des Problems.

Welche Schmierfettzusammensetzung eignet sich für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen?

Es gibt kein Schmiermittel, das automatisch für jede heiße elektronische Schnittstelle am besten geeignet ist. Systeme auf Silikonbasis sind weit verbreitet, da sie einen breiten Temperaturbereich abdecken und ein gutes Benetzungsverhalten aufweisen. Silikonfreie Systeme können im Bereich optischer Oberflächen, Beschichtungen, elektrischer Kontakte oder bei Prozessen mit Siloxan-Einschränkungen vorzuziehen sein. In beiden Fällen sind die vollständige Rezeptur und die Alterungsdaten wichtiger als die Produktfamilie.

Die Grundflüssigkeit transportiert wärmeleitende Füllstoffe in Unebenheiten der Oberfläche. Ein Verdickungsmittel oder ein Rheologiepaket hilft dabei, die Bewegung zu steuern, während Additive die Oxidationsstabilität, Korrosionsbeständigkeit, Benetzbarkeit und Verarbeitbarkeit beeinflussen können. Ändert man einen Bestandteil, können sich dadurch auch mehrere andere Eigenschaften verändern.

Die veröffentlichten Parameter für Wärmeleitpaste sollte als zusammenhängende Einheit betrachtet werden. Eine Erhöhung des Füllstoffanteils kann zwar die Leitfähigkeit steigern, führt aber möglicherweise auch zu einer höheren Viskosität, einer verminderten Benetzbarkeit oder zu Komplikationen bei der automatisierten Dosierung. Eine ausgewogene Mischung kann nach dem Verschließen des Deckels eine besser Leistung erbringen als ein auf dem Datenblatt spektakulär aussehender Wert.

„Silikonfrei“ bedeutet nicht automatisch, dass die Flüchtigkeit gering ist.

„Silikonfrei“ ist eine chemische Einschränkung und keine allgemeingültige Zuverlässigkeitsgarantie. Ingenieure benötigen weiterhin Daten zu Massenverlust, Ölabscheidung, Substratverträglichkeit und langfristigem thermischen Verhalten. In geschlossenen optischen, Vakuum- oder Sensorsystemen sollten folgende Aspekte bewertet werden: Ausgasungsverhalten von Wärmeleitpaste im Vergleich zur tatsächlich geforderten Sauberkeit.

Fünf Ausfallarten bei hohen Temperaturen, die wichtiger sind als die Nennleistung

Hochtemperaturfett zersetzt sich in der Regel durch allmähliche Material- oder Grenzflächenveränderungen und nicht durch einen plötzlichen Temperatursturz. Auspumpen, Austrocknen, Ölausbluten, rheologische Veränderungen und chemische Unverträglichkeiten können den Widerstand erhöhen, während das Fett physikalisch noch vorhanden ist. Bei der Qualifizierung sollten diese Mechanismen voneinander getrennt betrachtet werden, da jeder einzelne eine andere Auslegung oder Rezeptur erfordert.

1. Abpumpen während des Temperaturwechselprozesses

Unter „Pump-out“ versteht man die Verlagerung von Fett weg vom aktiven Kontaktbereich. Wiederholte Ausdehnung und Kontraktion, Druckschwankungen, starke Temperaturschwankungen und eine mangelhafte Ebenheit der Kontaktfläche können dazu führen, dass die Masse zu den Rändern hin verdrängt wird. In der Mitte entstehen dann dünne oder leere Bereiche, und die Temperatur an den „Hotspots“ steigt an.

Der ausführliche Leitfaden zu Ablösung der Wärmeleitpaste beim Radfahren erläutert den Mechanismus näher. Bei einem Hochtemperaturprojekt sollten Sie die Abdeckung nach der geplanten Zykluszählung überprüfen, anstatt davon auszugehen, dass eine hohe Viskosität allein das Problem löst.

2. Trocknungsverlust und Verlust durch Verdunstung

Eine Austrocknung tritt auf, wenn die Trägerphase durch Verdunstung, Migration oder Absorption in angrenzende poröse Materialien aufgebraucht wird. Die verbleibende, füllstoffreiche Struktur kann aushärten, Risse bilden oder den Kontakt verlieren. Anhaltende Hitze kann diesen Prozess beschleunigen, wobei die Geschwindigkeit stark von der chemischen Zusammensetzung, der Klebefuge, der Einwirkung und den umgebenden Materialien abhängt.

Die Frage ist nicht, ob sich eine Paste irgendwann verändert. Die Frage ist vielmehr, ob diese Veränderung über die gesamte erforderliche Lebensdauer hinweg akzeptabel bleibt. Siehe dazu die separate Erläuterung zu Warum Wärmeleitpaste austrocknet für den Unterschied zwischen Alterung im Betrieb und Ausfall bei der Lagerung.

3. Trennung von Ölablass und Ölnachfüllung

Ein kleiner Benetzungshalo ist nicht unbedingt katastrophal. Eine starke Abtrennung ist etwas anderes: Die Trägerflüssigkeit verlässt den gefüllten Bereich, verändert dadurch die lokale Zusammensetzung und verunreinigt möglicherweise benachbarte Kontakte, Beschichtungen oder optische Elemente. Erfassen Sie während des Tests sowohl die Menge als auch den Bestimmungsort der abgewandert Flüssigkeit.

4. Thermo-oxidative Härtung oder Erweichung

Wärme und Sauerstoff können das Netzwerk des Trägers oder Verdickungsmittels verändern. Manche Materialien härten aus und passen sich nicht mehr an; andere verlieren an Zusammenhalt und sinken zusammen. Beide Entwicklungen können problematisch sein. Eine Viskositätsmessung bei Raumtemperatur nach der Alterung liefert nützliche Erkenntnisse, sollte jedoch mit einer Prüfung der Grenzflächen und thermischen Tests kombiniert werden.

5. Korrosion, Verschmutzung oder elektrische Gefahren

Zur Hochtemperaturverträglichkeit gehören Kupfer, Aluminium, Nickelbeschichtungen, Keramik, Beschichtungen, Elastomere und Kunststoffe im Bereich der Schnittstelle. Elektrisch leitfähige Füllstoffe können ein zusätzliches Risiko darstellen, wenn das Schmierfett in stromführende Schaltkreise gelangt. Verwenden Sie RoHS- oder REACH-Dokumente nicht als Ersatz für Korrosions-, Isolations- oder anwendungsspezifische Verträglichkeitsprüfungen; sie beantworten andere Fragen.

Technische Daten, die Sie vor dem Kauf von Hochtemperatur-Wärmeleitpaste vergleichen sollten

Vergleichen Sie die Testbedingungen ebenso sorgfältig wie die Werte. Ein Temperaturbereich ohne Verweilzeit, ein Leitfähigkeitswert ohne Angabe der Messmethode oder ein Impedanzergebnis ohne Angabe der Klebeverbindungdicke und des Anpressdrucks ist unvollständig. Die aussagekräftigsten Lieferantendaten ermöglichen es Ingenieuren, die Schnittstelle nachzubilden und zu verstehen, inwieweit sich die Leistung nach thermischer und umweltbedingter Alterung verändert.

Bei einer flachen, festgeklemmten Schnittstelle, Fett mit geringem Wärmewiderstand sollte dennoch bei der vorgesehenen Auftragsdicke bewertet werden. Ein Schmierfett mit mäßiger Leitfähigkeit bei 40 µm kann besser abschneiden als ein hochleitfähiges Material, das bei 150 µm bleibt, weil es zu zäh ist, um sich zu verteilen.

Auswahl der richtigen Wärmeleitpaste für elektronische Anwendungen bei hohen Temperaturen

Anwendungsangaben sind ein nützlicher Anhaltspunkt, aber keine Materialspezifikation. Ein Wechselrichter für Kraftfahrzeuge und ein Industrieantrieb verwenden zwar möglicherweise ähnliche Leistungsmodule, sind jedoch unterschiedlichen Zyklenzahlen, Feuchtigkeitsbedingungen, Vibrationen und Wartungsplänen ausgesetzt. Passen Sie das Schmierfett an den tatsächlichen Aufbau, das Befestigungssystem, das Temperaturprofil und die umgebenden Materialien des jeweiligen Geräts an.

IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule

Fett sammelt sich in der Regel zwischen der Grundplatte eines Moduls und einer luft- oder flüssigkeitsgekühlten Oberfläche an. Zu den wichtigen Einflussgrößen zählen die Durchbiegung der Grundplatte, die Ebenheit der Kühlplatte, das Schraubenmuster, der Anpressdruck und der bedruckbare Bereich. Die NREL-Studie zu TIMs in der Leistungselektronik zeigt, warum der Widerstand der Grenzschicht die Temperatur des Leistungsmoduls erheblich beeinflussen kann.

SiC- und GaN-Leistungselektronik

Bauelemente mit großer Bandlücke können anspruchsvolle Übergangsbedingungen bewältigen, doch der Rest des Gehäuses unterliegt weiterhin Einschränkungen. Lötstellen an der Grundplatte, Verkapselung, Anschlüsse, Sensoren und Kühlkomponenten werden nicht unverwüstlich, nur weil der Chip aus SiC besteht. Legen Sie die Temperatur an der Schnittstelle zum Schmiermittel unabhängig fest und überprüfen Sie den Kontakt nach der Alterung.

Wechselrichter, Ladegeräte und Steuergeräte für Kraftfahrzeuge

In der Automobilindustrie kommt es zu Kaltstarts, hohen Belastungen, Vibrationen, Feuchtigkeit und langen Qualifizierungszyklen. Die richtige Masse muss in Serienmengen druck- oder dosierbar und über den gesamten Einbautoleranzbereich hinweg stabil sein. Die Prüfung eines einzigen, vollkommen ebenen Laborprobekörpers reicht nicht aus.

Industrielle Stromversorgungen, Motorantriebe und Heizgeräte

Diese Baugruppen können in staubigen Gehäusen mit eingeschränkter Luftzirkulation über längere Zeiträume hinweg heiß bleiben. Der Dauerbetrieb, die vertikale Montage und der Wartungszugang können bei der Auswahl eine entscheidende Rolle spielen. Ein sehr stabiler, aber schwer zu entfernender Verbundwerkstoff kann zudem Reparaturprobleme verursachen, weshalb die Wartung bereits in der Konstruktionsvorgabe berücksichtigt werden sollte.

Hochleistungs-LEDs, HF-Verstärker und Telekommunikationshardware

LEDs und HF-Bauteile erzeugen an relativ kleinen Kontaktflächen konzentrierte Wärme. Bei Telekommunikationsgeräten für den Außenbereich kommen zusätzlich versiegelte Gehäuse, Sonneneinstrahlung und wechselnde Witterungsbedingungen hinzu. Bei optischen Baugruppen können zudem Einschränkungen hinsichtlich der Verwendung von Silikon oder flüchtigen Stoffen bestehen. Das Schmierfett muss für die gesamte Umgebung geeignet sein, nicht nur für das heiße Bauteil.

Wie lässt sich die Dicke der Klebefuge und deren Auftrag im Produktionsmaßstab steuern?

Selbst ein thermisch stabiles Schmierfett kann versagen, wenn sich das Auftragsvolumen, die Abdeckung oder der Anpressdruck ändern. Der Produktionsprozess sollte einen reproduzierbaren dünnen Film erzeugen, ohne dass die Mitte unterversorgt wird, Luft eingeschlossen wird oder benachbarte Bauteile überflutet werden. Das bedeutet, dass die Zeichnung, das Dosierprogramm, die Reihenfolge der Befestigungselemente und die Prüfmethode alle Teil der thermischen Spezifikation sind.

Wählen Sie eine Auftragsmethode entsprechend der Geometrie aus

• Spritze oder automatische Dosierung Eignet sich für Punkte, Linien und vordefinierte Muster, jedoch müssen Volumen und Perlenplatzierung überprüft werden.
• Schablonendruck kann die Abdeckung und die Auftragsdicke auf den Modulgrundplatten steuern.
• Siebdruck kann die Serienfertigung unterstützen, wenn Rheologie und Maschenweite aufeinander abgestimmt sind.
• Ausbringen mit der Walze oder manuell Das mag bei Prototypen funktionieren, hängt aber stärker von der Bedienung durch den Bediener ab.
• Voranmeldung für Lieferanten kann Abweichungen bei der Handhabung verringern, wenn Schutzmaßnahmen für den Versand und die Montagebedingungen festgelegt werden.

Haktaks Überblick über Verfahren zum Auftragen von Wärmeleitpaste kann beim Vergleich dieser Verfahren helfen. Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, sollte die endgültige verdichtete Schicht und nicht nur die feuchte Aufschüttung kontrolliert werden.

Überprüfen Sie die montierte Schnittstelle

Ein kontrollierter Abbau ist eines der einfachsten Diagnoseverfahren. Entnehmen Sie repräsentative Proben und untersuchen Sie das Abdruckmuster. Achten Sie auf trockene Stellen, große Hohlräume, ungleichmäßigen Auspressvorgang, Kantenverlust und Verunreinigungen. Messen Sie Wie sich die Dicke der Klebefuge auf die thermische Leistung auswirkt unter dem tatsächlichen Anzugsmoment oder der tatsächlichen Klemmkraft.

Für die Serienfertigung kommen die Rückverfolgbarkeit der Materialchargen, Kontrollen des Dosiergewichts, die Schablonenprüfung und Drehmomentprotokolle hinzu. Diese Kontrollen klingen alltäglich. Alltäglich ist gut, wenn Tausende von Schnittstellen sich auf dieselbe Weise verhalten müssen.

So prüfen Sie Wärmeleitpaste für den Einsatz bei hohen Temperaturen

Überprüfen Sie das Material vor und nach der Alterung in der tatsächlichen oder repräsentativen Schichtung. Anhand der anfänglichen Leitfähigkeitsdaten lassen sich kein „Pump-out“, kein „Dry-out“, keine Korrosion und kein druckabhängiger Kontaktverlust feststellen. Ein sinnvolles Programm erfasst den thermischen und physikalischen Ausgangszustand, wendet die erwarteten Belastungen an und wiederholt anschließend dieselben Messungen unter Verwendung vordefinierter Akzeptanzkriterien.

Eine Ausgangsbasis schaffen

Halten Sie Materialcharge, aufgetragene Menge, verdichtete Klebefuge, Oberflächenvorbereitung, Anzugsmoment der Befestigungselemente und Grenzfläche fest. Messen Sie die Temperatur von Gehäuse zu Senke oder den Wärmewiderstand bei geregelter Leistung. Fotografieren Sie das Kontrollmuster auf den dafür vorgesehenen Proben und messen Sie die elektrischen Eigenschaften an den für die Isolierung relevanten Stellen.

Zur Materialcharakterisierung, ASTM D5470 behandelt Messungen der thermischen Impedanz im stationären Zustand für verschiedene Klassen von Wärmeleitmitteln, darunter Fette und Pasten. Da der in der Norm beschriebene idealisierte Test nicht jede praktische Baugruppe abbildet, sollten Labordaten mit Tests auf Geräteebene kombiniert werden.

Die entsprechenden Alterungsbelastungen anwenden

• Lagerung bei hohen Temperaturen oder betriebene Verweildauer unter den vorgesehenen Schnittstellenbedingungen
• Temperaturzyklen oder Ein-Aus-Zyklen mit realistischen Anstiegs- und Haltezeiten
• Feuchtigkeit oder Kondenswasser, sofern zutreffend
• Vibrationen und mechanische Stöße bei mobilen oder industriellen Geräten
• Vertikale oder umgekehrte Ausrichtung, falls die Schwerkraft die Migration beeinflussen könnte
• Ausgasungsprüfungen für Vakuum-, optische oder hermetisch geschlossene Systeme

Die Reihenfolge der Tests ist entscheidend. Feuchtigkeit, gefolgt von Hitze, führt möglicherweise nicht zum gleichen Ergebnis wie Hitze, gefolgt von Feuchtigkeit. Wenn in der Praxis mehrere Belastungen gleichzeitig auftreten, sollten Sie – sofern das Risiko dies rechtfertigt – kombinierte oder aufeinanderfolgende Belastungen in die Prüfung einbeziehen.

Messen Sie, was sich verändert hat

Wiederholen Sie die Messung des thermischen Widerstands oder der Temperatur zwischen Gehäuse und Kühlkörper unter denselben Leistungs- und Randbedingungen. Vergleichen Sie Masse, Bedeckung, Klebefläche, Härte oder Fließverhalten, Kantenwanderung, Korrosion und elektrische Isolierung. Ein Bestehenskriterium könnte das Anstieg des Widerstands und den sichtbaren Verlust der Bedeckung begrenzen und gleichzeitig Korrosion oder unsichere Änderungen der Isolierung verhindern.

Nutzen Sie den Leitfaden, um Gängige TIM-Prüfstandards um einen umfassenderen Plan zu erstellen. Normen sorgen für mehr Einheitlichkeit, doch die endgültige Abnahmegrenze wird nach wie vor durch die Produktkonstruktion bestimmt.

Wenn Wärmeleitpaste nicht das beste Hochtemperatur-Wärmeleitmittel ist

Fett eignet sich hervorragend für dünne, geklemmte und nachbearbeitbare Schnittstellen, ist jedoch kein universeller Spaltfüller. Ziehen Sie ein anderes Wärmeleitmaterial in Betracht, wenn der Spalt groß oder variabel ist, die Auftragsdicke nicht kontrolliert werden kann, eine Migration nicht akzeptabel ist, eine sauberere Handhabung erforderlich ist oder das zu kühlende Bauteil zudem strukturell befestigt werden muss.

Der Vergleich von Phasenwechselmaterial im Vergleich zu Wärmeleitpaste ist ein sinnvoller nächster Schritt, wenn es auf die Pumpkontrolle oder die werkseitige Vorbeschichtung ankommt. Wechseln Sie das Format nicht allein aufgrund der Sauberkeit; Druck, Aktivierungstemperatur, Nachbearbeitung und Alterungsbeständigkeit müssen weiterhin geprüft werden.

Informationen für einen Lieferanten von Wärmeleitpaste

Ein Lieferant kann nur dann eine sinnvolle Empfehlung abgeben, wenn die tatsächlichen Schnittstellen- und Einsatzbedingungen bekannt sind. Die Angabe “Wir benötigen eine Paste mit 8 W/mK für 200 °C” lässt Geometrie, Druck, Einwirkdauer und elektrische Einschränkungen außer Acht, die darüber entscheiden, ob das Material tatsächlich geeignet ist. Eine kurze technische Beschreibung erspart mehrere Runden des Rätselns.

Enthält:

• Wärmequelle, Gehäusetyp und Kühlverfahren
• Materialien für Substrate und Kühlflächen
• Abmessungen der Schnittstelle, Rauheit, Ebenheit und Zeichnung
• Minimale, nominale und maximale komprimierte Klebefuge
• Spannkraft, Schraubenanordnung und Drehmoment
• Dauertemperaturen, Spitzentemperaturen und zyklische Temperaturen an der Schnittstelle
• Zyklusanzahl, Anstiegsgeschwindigkeit, Verweilzeit und Lebensdauer
• Leistung, Wärmefluss und zulässige Gehäuse- oder Übergangstemperatur
• Anforderungen an Spannung, Erdung und Dielektrikum
• Kontrollen hinsichtlich Ausrichtung, Vibration, Luftfeuchtigkeit, Umgebungsbedingungen und Verunreinigungen
• Silikon, Ausgasung oder Anforderungen an eingeschränkte Stoffe
• Dosier- oder Druckverfahren, Produktionsgeschwindigkeit und Verpackungspräferenz
• Qualifikationstests und Abnahmekriterien

Haktaks Unterstützung bei der Materialauswahl und -prüfung kann dabei helfen, diese Informationen in ein Bewerber-Screening, Einstellungsversuche und einen Altersplan umzusetzen. Fordern Sie erst dann Arbeitsproben an, wenn die kritischen Grenzwerte klar sind; andernfalls kommt jeder Bewerber mit einer etwas anderen Vorstellung von der Stelle.

Schlussfolgerung

Die beste Wärmeleitpaste für Elektronik mit hohen Betriebstemperaturen ist nicht einfach das Produkt mit der höchsten Temperaturbeständigkeit oder Leitfähigkeit. Es ist das Material, das die erforderliche Haftschichtdicke erreicht, die Oberflächen benetzt, im Kontaktbereich verbleibt und auch nach der vorgesehenen Wärmeeinwirkung, den Temperaturwechseln und der Umgebungsbelastung eine akzeptable thermische und elektrische Leistung beibehält.

Beginnen Sie mit dem Temperaturprofil der Schnittstelle. Vergleichen Sie anschließend die chemischen Eigenschaften, die Rheologie, die thermische Impedanz, die Flüchtigkeit, das elektrische Verhalten und die Anwendungssteuerung. Validieren Sie schließlich den zusammengebauten Stapel vor und nach der Alterung. Diese Vorgehensweise ist zwar weniger spektakulär als die Wahl des höchsten W/mK-Werts, entspricht aber viel eher der Art und Weise, wie zuverlässige Hardware hergestellt wird.

Häufig gestellte Fragen

Welche Temperatur hält Hochtemperatur-Wärmeleitpaste aus?

Es gibt keine allgemeingültige Grenze. Handelsübliche Produkte können für Temperaturen von etwa 150 °C bis weit über 200 °C ausgelegt sein, während Spezialverbindungen noch höhere Temperaturbereiche abdecken können. Prüfen Sie, ob es sich um einen Dauerbetriebs- oder Kurzzeitwert handelt, und berücksichtigen Sie anschließend die Dauer, die Umgebungsbedingungen, die Klebefläche und das Verhalten nach der Alterung für das jeweilige Produkt.

Ist die maximale Betriebstemperatur dasselbe wie die Dauerbetriebstemperatur?

Nicht unbedingt. Ein Höchstwert kann eine kurzzeitige Abweichung oder einen Grenzwert beschreiben, bei dem keine unmittelbaren Schäden festgestellt wurden. Für den Dauerbetrieb muss nachgewiesen werden, dass die thermischen, physikalischen und elektrischen Eigenschaften für die vorgesehene Verweildauer und Lebensdauer akzeptabel bleiben.

Trocknet Wärmeleitpaste bei hohen Temperaturen schneller aus?

Anhaltend höhere Temperaturen können den Verlust flüchtiger Bestandteile, die Migration von Trägerstoffen und die chemische Alterung beschleunigen, doch die Geschwindigkeit hängt von der Rezeptur, der Klebefuge, den angrenzenden Materialien und der Umgebung ab. Thermische Wechselbeanspruchung kann zu einem zusätzlichen Ausgasungsverlust führen, selbst wenn die Durchschnittstemperatur moderat ist.

Warum wird Wärmeleitpaste bei Temperaturwechselbeanspruchung herausgedrückt?

Die verschiedenen Materialien im Stapel dehnen sich unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen. Wiederholte Bewegungen und Druckänderungen können dazu führen, dass sich Fett in Richtung der Trennfuge verdrängt. Ebenheit, Klemmenausführung, Viskosität, Temperaturschwankungen und die Anzahl der Zyklen beeinflussen das Ergebnis.

Ist Silikonfett oder silikonfreies Fett besser für heiße Elektronik geeignet?

Keine der beiden Produktfamilien ist in jedem Fall die bessere Wahl. Silikonsysteme bieten oft einen breiten Temperaturbereich. Silikonfreie Systeme eignen sich für Anwendungen, bei denen Einschränkungen hinsichtlich Siloxanen, optischen Eigenschaften, Beschichtungen oder Kontaktverträglichkeit bestehen. Vergleichen Sie die thermische Leistungsfähigkeit nach Alterung, die Migration, die Flüchtigkeit und die Verträglichkeit für die jeweilige Formulierung.

Kann Wärmeleitpaste bei Temperaturen über 200 °C verwendet werden?

Einige Spezialprodukte sind für den Einsatz bei Temperaturen über 200 °C ausgelegt, jedoch muss der vom Lieferanten angegebene Temperaturbereich unter Berücksichtigung der Einwirkdauer und der gesamten Baugruppe überprüft werden. Unter diesen Bedingungen gewinnen die Stabilität des Trägers, Oxidation, Ausgasung, Korrosion und die Grenzwerte der umgebenden Polymere besonders an Bedeutung.

Bedeutet eine höhere Wärmeleitfähigkeit immer eine niedrigere Bauteil-Temperatur?

Nein. Die Endtemperatur hängt auch von der Dicke der Klebefuge, dem Kontaktwiderstand, der Deckkraft, dem Anpressdruck, der Wärmeverteilung und dem Kühlsystem ab. Ein Fett mit geringerer Leitfähigkeit in einer dünnen, gleichmäßigen Schicht kann eine steifere Masse mit hoher Leitfähigkeit übertreffen, die zu dick aufgetragen wurde.

Wie dünn sollte die Klebefuge der Wärmeleitpaste sein?

Sie sollte dünn genug sein, um den Volumwiderstand zu minimieren und gleichzeitig Unebenheiten und Abweichungen in der Ebenheit auszugleichen. Der richtige Wert hängt sowohl von den Oberflächen als auch vom Druck und der Rheologie des Schmierfetts ab. Legen Sie die komprimierte Klebefuge fest und messen Sie diese, anstatt eine universelle Dicke zu verwenden.

Wie prüft man Wärmeleitpaste nach einer Alterung bei hohen Temperaturen?

Messen Sie den thermischen Grundwiderstand oder die Temperatur zwischen Gehäuse und Kühlkörper, die Klebefuge sowie den physikalischen Zustand. Wenden Sie die erforderlichen Haltezeiten, Zyklusbelastungen und Umgebungsbelastungen an und wiederholen Sie anschließend dieselben Messungen. Prüfen Sie die Abdeckung, die Randausbreitung, die Aushärtung, das Ausbluten, die Korrosion und die elektrische Isolation anhand vordefinierter Grenzwerte.

Wann sollte Wärmeleitpaste durch ein Phasenwechselmaterial oder ein Wärmeleitpad ersetzt werden?

Ziehen Sie eine Alternative in Betracht, wenn der Spalt an der Schnittstelle zu groß ist, die Dicke der Anwendung schwer zu kontrollieren ist, eine wiederholte Migration nicht akzeptabel ist oder eine saubere Handhabung der vorgeformten Teile wichtig ist. Vergleichen Sie die Alternative unter den tatsächlichen Druck-, Temperatur- und Alterungsbedingungen, bevor Sie das Format wechseln.