Wärmeleitpaste für Leistungsmodule: Auswahlleitfaden

Wärmeleitpaste für Leistungsmodule füllt die mikroskopisch kleinen Zwischenräume zwischen der Grundplatte eines Moduls und einem Kühlkörper oder einer flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte aus. Indem sie eingeschlossene Luft durch ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit ersetzt, senkt sie den Übergangswiderstand und unterstützt die Wärmeabfuhr aus IGBT-, SiC-MOSFET- und intelligenten Leistungsmodulen. Das richtige Produkt ist nicht einfach das Wärmeleitpaste mit dem höchsten W/mK-Wert. Es ist die Wärmeleitpaste, die in der tatsächlichen Baugruppe eine dünne, lückenlose und stabile Grenzfläche bildet.

Diese Unterscheidung ist entscheidend. Selbst ein gutes Wärmeleitmittel kann eine schlechte Leistung erbringen, wenn der Kühlkörper ungleichmäßig ist, die aufgetragene Schicht zu dick ist, die Schraubenanordnung die Grundplatte verformt oder sich das Wärmeleitmittel während der Temperaturwechselbeanspruchung verschiebt. Mit anderen Worten: Das Modul, das Wärmeleitmittel, die Kühlfläche, die Befestigungselemente und der Auftragsprozess bilden ein einheitliches System.

In diesem Leitfaden wird erläutert, wie Sie das geeignete System auswählen. Er behandelt die zu vergleichenden Materialeigenschaften, die realistische Kontrolle der Klebefuge, den Schablonendruck, häufige Fehlerarten, Alternativen, Normen und die Produktionsqualifizierung. Beziehen Sie sich hinsichtlich der Geometrie und der Befestigungsanforderungen stets auf die Montageanweisungen des Modulherstellers als maßgebliche Grundlage.

Welche Funktion hat Wärmeleitpaste in einer Leistungsmodulbaugruppe?

Wärmeleitpaste kühlt ein Modul nicht von selbst. Sie verbessert den Kontakt an der Schnittstelle zwischen Modul und Kühler. Selbst bearbeitete Metalloberflächen weisen Erhebungen, Vertiefungen und leichte Formabweichungen auf. Wenn zwei trockene Oberflächen aneinandergepresst werden, schließen diese Unregelmäßigkeiten isolierende Luft ein. Wärmeleitpaste benetzt die Oberflächen und füllt die kleinen Hohlräume aus, wodurch ein durchgängigerer Wärmeübertragungsweg entsteht.

Der Wärmepfad vom Halbleiterübergang zum Kühlmittel oder zur Luft

Die Wärme entsteht am Halbleiterübergang. Von dort aus wird sie über die Chipbefestigung, das Substrat, die internen Leiterbahnen und gegebenenfalls die Grundplatte weitergeleitet. Anschließend durchdringt sie das Wärmeleitmaterial und gelangt in einen Kühlkörper oder eine Kühlplatte. Schließlich wird sie an die Luft oder das Kühlmittel abgegeben.

Das Fett nimmt nur einen schmalen Abschnitt dieses Weges ein, kann aber zu einem Engpass werden. Stellen Sie sich das wie eine Dichtung zwischen zwei Rohrstücken vor. Die Dichtung ist zwar kurz, doch schon eine schlechte Passform kann den gesamten Durchfluss einschränken.

Ingenieure erfassen üblicherweise verschiedene Widerstandswerte:

• Rth(j-c): Wärmewiderstand zwischen Übergang und Gehäuse im Inneren des Moduls.
• Rth(c-h): Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper, der stark von der Grenzfläche beeinflusst wird.
• Rth(h-a) oder Widerstand zwischen Kühler und Flüssigkeit: Wärmeabgabe durch die Kühlkomponenten.
• Rth(j-a): der gesamte Weg vom Übergang zur Umgebung.

Die Wahl des Schmierfetts wirkt sich vor allem auf Rth(c-h), aber ein Temperaturproblem sollte dennoch über den gesamten Stack hinweg untersucht werden. Ein besseres Wärmeleitmittel kann eine zu kleine Kühlplatte oder einen unzureichenden Kühlmittelfluss nicht ausgleichen.

Module mit und ohne Grundplatte erfordern unterschiedliche Herangehensweisen

Ein herkömmliches IGBT-Modul verfügt möglicherweise über eine Metallgrundplatte, die die Wärme ableitet und als Befestigungsfläche dient. Einige neuere SiC-Module verwenden dünnere Grundplatten, freiliegende Keramikstrukturen oder grundplattenlose Konstruktionen, um die thermische Masse und den Innenwiderstand zu reduzieren. Diese Konstruktionen können empfindlicher auf lokale Druck-, Ebenheits- und Isolationsanforderungen reagieren.

Gehen Sie nicht davon aus, dass Wärmeleitpaste eine elektrische Isolierung gewährleistet. Viele Pasten sind zwar elektrisch nicht leitfähig, doch stellt die dünne Pastenschicht nicht automatisch eine zertifizierte dielektrische Barriere dar. Wenn die Isolierung Teil des Sicherheitskonzepts ist, überprüfen Sie die Modulkonstruktion und verwenden Sie eine geeignete Isolationslösung.

Für einen umfassenderen Überblick über Fette, Pads, Gele und andere Wärmeleitmaterialien, befassen Sie sich zunächst mit der tatsächlichen Lücke und der elektrischen Architektur, bevor Sie sich für ein Format entscheiden.

Beginnen Sie mit der Schnittstelle, nicht mit dem Wert der Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt, wie leicht Wärme durch das Material hindurchgeleitet wird. Sie ist zwar ein nützlicher Wert, sagt jedoch nichts über den Oberflächenkontakt, die endgültige Dicke oder die Alterung aus. Der Schnittstellenwiderstand auf Baugruppenebene setzt sich aus dem Materialwiderstand und dem Kontaktwiderstand an beiden Oberflächen zusammen. Ein Schmierfett mit mittlerer Wärmeleitfähigkeit, das sich zu einem dünnen, durchgehenden Film verteilt, kann ein Produkt mit höherem W/mK-Wert übertreffen, das dick bleibt oder Hohlräume hinterlässt.

Für eine vereinfachte gleichmäßige Schicht:

R = t / (k × A)

Wo:

• R ist der Volumenwärmewiderstand.
• t ist die Dicke der Klebefuge.
• k ist die Wärmeleitfähigkeit.
• A ist die effektive Kontaktfläche.

Die Gleichung ist zwar hilfreich, doch bei realen Übergängen kommt ein Kontaktwiderstand hinzu. Oberflächenrauheit, Benetzung, Druck und die Form des Füllmaterials beeinflussen diesen zusätzlichen Widerstand. Aus diesem Grund sollte der in einem Datenblatt angegebene Leitfähigkeitswert niemals allein zur Vorhersage der Übergangstemperatur herangezogen werden.

Die Unterscheidung zwischen Wärmeleitfähigkeit und thermische Impedanz ist besonders bei der Früherkennung hilfreich.

Sieben Faktoren bei der Auswahl von Wärmeleitpaste für Leistungsmodule

Das beste Schmiermittel für Leistungsmodule ist ein Material, das die erforderliche Temperatur erreicht und dabei eine stabile Herstellung sowie eine akzeptable Lebensdauer aufweist. Bei der Auswahl sollten die thermische Impedanz an der Grenzfläche, die erzielbare Haftstrecke, die Rheologie, die Temperaturstabilität, die Migrationsbeständigkeit, die Verträglichkeit und die Lieferbedingungen berücksichtigt werden. Ein einzelner beeindruckender Wert kann dieses Gleichgewicht nicht ersetzen.

1. Thermische Impedanz auf Baugruppenebene

Fragen Sie nach Daten zur thermischen Impedanz oder zum thermischen Widerstand, die bei einer angegebenen Dicke, einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur gemessen wurden. Da die Prüfvorrichtung und die Oberflächenbeschaffenheit eine Rolle spielen, sollten Sie Gleiches mit Gleichem vergleichen. Wenn Lieferanten unterschiedliche Methoden anwenden, kann die Rangfolge ebenso sehr von den Methoden wie von den Werkstoffmischungen abhängen.

Bei einem praktischen Screening-Test werden repräsentative Metalloberflächen und mehrere Klebeverbindungen verwendet. Der abschließende Zulassungstest erfolgt mit dem tatsächlichen Leistungsmodul und dem Kühler. Erfassen Sie die Kühlmittel- oder Kühlkörpertemperatur, die Temperatur des Modulgehäuses sowie, sofern verfügbar, einen wiederholbaren elektrischen Temperaturindikator.

2. Erreichbare Klebefugenstärke

Fett erzielt die beste Leistung, wenn es dünn genug ist, um den Volumwiderstand zu begrenzen, und gleichzeitig dick genug, um die tatsächlichen Oberflächenunebenheiten auszugleichen. Die erzielbare Haftschichtdicke hängt ab von:

• Ebenheit von Modul und Kühlfläche.
• Oberflächenrauheit und Welligkeit.
• Befestigungsdruck und Schraubenpositionen.
• Viskosität des Schmierfetts, Fließgrenze und Partikelgröße des Füllstoffs.
• Schablonenmuster, aufgetragenes Volumen und Quetschfluss.

Die Einfluss der Dicke der Klebefuge auf die thermische Leistung ist oft größer, als Käufer erwarten. Legen Sie keine nominelle Schichtdicke fest, bevor Sie die montierte Verbindung untersucht haben.

3. Viskosität, Thixotropie und Schablonendruckbarkeit

Die Viskosität ist lediglich eine Momentaufnahme des Fließwiderstands. Die Thixotropie beschreibt, wie sich ein Material unter Scherbeanspruchung verändert und sich nach Wegfall der Kraft wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückbildet. Ein druckbares Schmierfett sollte die Schablonenöffnungen ausfüllen, sich sauber ablösen, sein Muster vor dem Einbau beibehalten und sich beim Festklemmen verteilen, ohne überall zu verlaufen.

Bei der automatisierten Dosierung sollten Sie die Druckstabilität, die Kontinuität des Dosierstrangs, die Düsengröße, die Absetzung des Füllmaterials sowie den Anlauf nach einer Stillstandszeit überprüfen. Beim Schablonendruck sollten Sie die Rakelgeschwindigkeit, den Rakelwinkel, die Schablonendicke, die Geometrie der Öffnungen und die Trennschicht überprüfen. Ein Material kann hervorragende thermische Eigenschaften aufweisen und dennoch in der Produktionslinie Probleme bereiten. Das kommt häufiger vor, als man zugeben möchte.

4. Betriebs- und Spitzentemperaturbereich

Leistungsmodule sind ständiger Wärmeeinwirkung, kurzzeitigen Überlastungen und wiederholten Ein- und Ausschaltzyklen ausgesetzt. Ein breiter Temperaturbereich im Datenblatt ist kein Beweis für eine über Jahre hinweg stabile Viskosität oder einen stabilen Grenzflächenwiderstand bei wiederholten Zyklen.

Definieren Sie das tatsächliche Profil:

• Normalfall und niedrigere Temperatur.
• Maximale Dauertemperatur.
• Kurzzeitige Höchsttemperatur.
• Häufigkeit des Ein- und Ausschaltens.
• Temperaturwechsel und Verweilzeit.
• Erwartete Lebensdauer.

Fordern Sie nach Möglichkeit Daten nach der Alterung an. Wiederholen Sie dann die thermische Messung nach dem Zyklus und nicht nur davor.

5. Abpumpen, Trocknen, Entlüften und Flüchtigkeit

Diese Begriffe beschreiben unterschiedliche Probleme:

• Abpumpen ist eine Materialbewegung, die durch wiederholte Ausdehnung, Kontraktion und Druckänderungen verursacht wird.
• Austrocknen ist der Verlust oder die Umverteilung der Trägerflüssigkeit, bis die Grenzfläche füllstoffreich und weniger nachgiebig wird.
• Ölablass ist eine sichtbare Trennung oder Wanderung der flüssigen Phase.
• Volatilität ist der Verlust von Komponenten mit niedrigerem Molekulargewicht, der durch Hitze oder niedrigen Druck beschleunigt wird.

Achten Sie nach dem Radfahren auf eine gleichmäßige Schmierfilmbildung in den stark beanspruchten Bereichen und an den Kanten. Ein Schmierfett, das zwar anfangs einen geringen Widerstand aufweist, sich aber aus dem aktiven Bereich herausbewegt, ist im Einsatz keine Lösung mit geringem Widerstand.

6. Elektrische und chemische Verträglichkeit

Prüfen Sie, ob das Schmierfett elektrisch isolierend, leicht leitfähig oder ausschließlich für den thermischen Kontakt vorgesehen ist. Überprüfen Sie außerdem dessen Wechselwirkung mit Beschichtungen, Kunststoffen, Etiketten, Dichtungen, Steckverbindern und Reinigungsmitteln. Die Migration von Silikonöl kann in der Nähe von optischen Oberflächen, Relaiskontakten sowie bei Lackier- oder Klebearbeiten unzulässig sein. In diesen Fällen sollten Sie eine silikonfreie Wärmeleitpaste oder ein anderes TIM mit kontrollierter Chemie.

7. Fertigungs- und Lieferkontrollen

Der Lieferant sollte mehr als nur eine Musterspritze bereitstellen. Anforderungen an die Produktionsplanung:

• Verpackungen, die für Druck- oder Abfüllanlagen geeignet sind.
• Lagertemperatur und Haltbarkeit.
• Anweisungen zur Konditionierung, zum Mischen oder zur Entlüftung.
• Rückverfolgbarkeit von Chargen und Zertifikatsdaten.
• Rheologische und thermische Kontrollen von Charge zu Charge.
• Richtlinie zur Benachrichtigung über Änderungen.
• Technische Unterstützung bei Schablonen- und Validierungsversuchen.

Wie dick sollte die Wärmeleitpaste auf einem IGBT- oder SiC-Leistungsmodul aufgetragen werden?

Es gibt keine allgemeingültige Schmierfettdicke für alle IGBT- oder SiC-Leistungsmodule. Bei vielen Herstellern liegt diese im Bereich von einigen zehn bis zu einigen hundert Mikrometern, doch der zulässige Wert hängt vom jeweiligen Modul, der Kühlkörperoberfläche und dem Auftragsmuster ab. Befolgen Sie die Montageanleitung des Moduls und überprüfen Sie anschließend die komprimierte Grenzfläche sowie das thermische Ergebnis.

So hat beispielsweise Fuji Electric für ausgewählte industrielle IGBT-Module Richtwerte um die 100 Mikrometer veröffentlicht, darunter ein Beispiel mit 100 ± 30 Mikrometer. In den Unterlagen von Mitsubishi werden für einige Modulfamilien Werte zwischen 50 und 100 Mikrometer angegeben, während für andere Familien größere Bereiche gelten. Microchip hat einen Mindestwert für ein bestimmtes Modul und ein bestimmtes Verfahren dokumentiert. Diese Zahlen sind Beispiele und stellen keine branchenweit geltende Regel dar.

Man sollte außerdem zwischen der aufgetragenen Schichtdicke und der Klebefläche nach der Montage unterscheiden. Eine Schablone erzeugt eine strukturierte Schicht mit offenen Stellen. Bei der Montage verteilt sich das Fett, und die Erhebungen fallen zusammen. Die Messung der Schablonendicke allein gibt keinen Aufschluss über die endgültige Grenzfläche.

Eine einfache Schätzung der Fettmenge

Für eine erste Schätzung:

Masse = beschichtete Fläche × durchschnittliche Schichtdicke × Dichte

Angenommen, ein gedrucktes Muster hat eine effektive Beschichtungsfläche von 90 cm², eine durchschnittliche Schichtdicke von 0,010 cm und eine Fettdichte von 2,6 g/cm³:

Masse = 90 × 0,010 × 2,6 = 2,34 g

Hierbei handelt es sich um eine Startmenge für den Prozess, nicht um eine genehmigte Spezifikation. Die Öffnungen der Druckvorlage, der Auslauf und die Klebefuge der montierten Bauteile beeinflussen das tatsächliche Ergebnis. Das Wiegen des Moduls vor und nach dem Druck ist eine nützliche Produktionskontrolle, da dadurch die aufgetragene Masse konsistenter gemessen wird als bei einer oberflächlichen visuellen Beurteilung.

Die Montageanleitung von Fuji Electric Erläutern Sie, warum die Schmierfettschichtdicke, die Ebenheit des Kühlkörpers, die Oberflächenrauheit und die Befestigung im Zusammenhang betrachtet werden müssen.

Die Ebenheit, Rauheit und der Anpressdruck des Kühlkörpers spielen bei der Auswahl des Wärmeleitmittels eine Rolle

Die Kühlfläche kann dazu führen, dass ein eigentlich geeignetes Schmierfett schlecht wirkt. Ein zu großer Ebenheitsfehler führt zu lokalen Verdickungen oder Trockenkontakt. Eine hohe Rauheit erhöht das Volumen, das zum Auffüllen der Oberflächenvertiefungen benötigt wird. Uneinheitliche Befestigung verändert den Druck und kann die Modulgrundplatte verziehen. Legen Sie diese mechanischen Bedingungen fest, bevor Sie das Schmierfett und die Schablone fixieren.

Ebenheit und Rauheit

Die Ebenheit beschreibt den Gesamtformfehler über die gesamte Befestigungsfläche hinweg. Die Rauheit beschreibt die durch die Bearbeitung entstandene feine Struktur. Beide Faktoren beeinflussen den Kontakt, allerdings auf unterschiedliche Weise. Eine polierte Oberfläche kann dennoch gewölbt sein, und eine ebene Oberfläche kann dennoch zu rau sein.

Prüfen Sie die gesamte Moduloberfläche und nicht nur einen kleinen, bequemen Ausschnitt. Modulhersteller geben häufig zulässige Ebenheits- und Rauheitswerte für ihre Produkte an. Halten Sie sich an diese Grenzwerte, anstatt einen Wert aus einer anderen Modulfamilie zu übernehmen.

Drehmoment und Anzugsreihenfolge

Befestigungsschrauben sollten in der Regel schrittweise und in der vom Modulhersteller angegebenen Reihenfolge angezogen werden. Wird eine Ecke vollständig festgezogen, bevor die anderen festgezogen sind, kann sich das Modul neigen oder verbiegen, wodurch Fett eingeschlossen wird und eine ungleichmäßige Klebefuge entsteht.

Überprüfen Sie das Werkzeug, das Drehmoment, den Zustand der Schraube, den Unterlegscheibenstapel und die Auflagefläche. Markieren Sie bei Prototypen die Reihenfolge und notieren Sie das tatsächlich angewendete Drehmoment. Das klingt zwar einfach, doch genau hier schleichen sich oft unbemerkt Abweichungen ein.

Prüfung der Kontaktmuster

Stellen Sie Testbaugruppen her. Wenden Sie das angegebene Muster an, montieren Sie das Modul, entfernen Sie es anschließend vorsichtig und überprüfen Sie die Übertragung auf beide Oberflächen. Achten Sie auf unbedeckte Bereiche, eingeschlossene Luft, Kantenmangel und übermäßigen Auspresser.

Kombinieren Sie die Sichtprüfung mit einer Temperaturkartierung, Thermoelementen oder einem modulspezifischen temperaturempfindlichen elektrischen Parameter. Ein ansprechendes Verteilungsmuster ist zwar hilfreich, entscheidend ist jedoch nach wie vor das thermische Ergebnis.

Schablonendruck im Vergleich zu Walzen-, Spachtel- und automatisiertem Dosieren

Der Schablonendruck wird häufig für Leistungsmodule eingesetzt, da er die Aufbringungsstelle und -menge über eine große Grundplatte hinweg präzise steuert. Ein modulspezifisches Muster ermöglicht es, dass sich das Schmierfett zu einer dünnen Schicht verteilt und gleichzeitig Entlüftungswege offen bleiben. Walzen und Spachtel können bei Prototypen zum Einsatz kommen, führen jedoch zu größeren Abweichungen bei der Verarbeitung durch den Bediener. Eine automatisierte Dosierung ist sinnvoll, wenn Muster und Material gemeinsam ausgelegt werden.

Warum der Schablonendruck in den OEM-Richtlinien erwähnt wird

Leistungsmodule sind größer und unterscheiden sich mechanisch von Desktop-Prozessoren. Ein Punkt- oder X-Muster, das in einem Hobby-Video gut aussieht, ist kein Herstellungsverfahren für eine breite IGBT-Grundplatte.

Eine Schablone kann Folgendes bieten:

• Wiederholbare Abscheidungsmasse.
• Kontrollierte Freihaltung um Löcher und Kanten herum.
• Festgelegte Inseln oder Bahnen zum Ausbringen.
• Schnellere Inspektion und schnellere Einarbeitung der Bediener.
• Ein messbarer Zusammenhang zwischen Öffnungsgröße, Schablonendicke und Auftragsmenge.

Infineons Anwendungshinweise zu Siebdruckschablonen veranschaulicht den modulspezifischen Charakter der Schablonengeometrie und der Prozesssteuerung.

Wann eine andere Methode akzeptabel sein kann

Eine Walze oder ein gesteuerter Spachtel kann sich für technische Versuche, Wartungsarbeiten oder Kleinserien eignen, sofern der Modulhersteller dies zulässt. Das Dosieren kann für eine automatisierte Fertigungslinie geeignet sein, wenn sich die Raupen zu einer vollständigen Abdeckung verbinden, ohne dass dabei Luft eingeschlossen wird. Durch vorab aufgetragenes TIM kann ein interner Druckvorgang vollständig entfallen.

Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, sind die aufgebrachte Masse, die Position, die Prüfkriterien und das Ergebnis der Montage zu definieren. “Eine dünne Schicht auftragen” ist eine Anweisung, aber noch kein Prozess.

Praktischer Produktionsablauf

1. Überprüfen Sie den Modulsockel und die Kühlfläche auf Beschädigungen oder Verschmutzungen.
2. Reinigen Sie beide Oberflächen mit zugelassenen Reinigungsmitteln und lassen Sie sie trocknen.
3. Behandeln Sie das Fett gemäß den Lagerungs- und Handhabungshinweisen.
4. Richten Sie die modulspezifische Schablone oder die Dosiervorrichtung aus.
5. Das kontrollierte Muster drucken oder auftragen.
6. Lage, Vollständigkeit und abgelagerte Masse prüfen.
7. Befestigen Sie das Modul unter Einhaltung der angegebenen Schraubreihenfolge und Drehmomentstufen.
8. Überprüfen Sie das Wärmeübertragungsmuster und die thermische Leistung an den Validierungseinheiten.

Allgemeine Informationen zur Handhabung finden Sie in Haktaks Leitfaden zu Auftragen von Wärmeleitpaste.

Häufige Ausfallursachen bei Wärmeleitpasten in der Leistungselektronik

Die meisten Ausfälle von Wärmeleitpaste sind Schnittstellenfehler und keine dramatischen Materialversagen. Typische Anzeichen sind steigende oder ungleichmäßige Temperaturen, trocken aussehende Bereiche, Ansammlungen an den Rändern, Ausquetschungen oder Verunreinigungen. Die Ursache kann in der Menge, der Schablone, der Oberfläche, dem Montageverfahren, dem Alterungsverhalten oder der Kühlhardware liegen. Analysieren Sie die Anzeichen, bevor Sie die Schuld auf den Behälter schieben.

Zu viel Fett

Eine zu dicke Schicht erhöht den Wärmewiderstand. Außerdem kann sie über die Grundplatte hinausquellen, benachbarte Oberflächen verunreinigen oder den Betrieb beeinträchtigen. Mehr Schmierfett bedeutet nicht automatisch eine bessere Kühlung. Die Paste soll die Luft ersetzen und nicht als dicke, wärmeverteilende Schicht dienen.

Zu wenig Schmierfett oder unvollständige Benetzung

Eine zu geringe Menge kann zu Lufteinschlüssen führen, insbesondere bei einer gewölbten Grundplatte oder einem unebenen Kühlkörper. Stellenweise trockene Bereiche verursachen Hotspots, selbst wenn die durchschnittliche Modultemperatur akzeptabel erscheint. Eine schlechte Schablonenfreigabe oder eine unterbrochene Dosierraupe können dasselbe Symptom hervorrufen.

Abpumpen und Ansammlung an den Rändern

Bei jedem Aufheiz- und Abkühlzyklus dehnen sich das Modul und der Kühler unterschiedlich stark aus. Durch diese geringe relative Bewegung kann ein Fett mit geringer Stabilität aus den aktiven Bereichen verdrängt werden. Nach vielen Zyklen kann sich Material an den Rändern ansammeln, während die Mitte dünn wird oder austrocknet.

Austrocknung, Ölabscheidung und Viskositätsdrift

Durch Wärme kann sich die Trägerflüssigkeit neu verteilen oder abziehen. Die verbleibende, füllstoffreiche Schicht ist dann weniger in der Lage, sich verändernde Oberflächen zu benetzen. Ölausblutungen können zudem über die Grenzfläche hinauswandern. Überprüfen Sie vor und nach der Alterung die Masse, das Aussehen und den Wärmewiderstand.

Mangelhafte Oberflächen- oder Befestigungskontrolle

Schwankungen bei Ebenheit, Rauheit, Reinigung, Schraubendrehmoment und Schablonenausrichtung werden oft fälschlicherweise als Materialschwankungen interpretiert. Eine fundierte Ursachenanalyse vergleicht diese Aufzeichnungen mit den thermischen Daten nach Seriennummer.

Wärmeleitpaste im Vergleich zu Phasenwechselmaterial, Wärmeleitpads und Graphit

Wärmeleitpaste entfaltet ihre Wirkung in der Regel am besten an dünnen, festgeklemmten Grenzflächen, die eine hervorragende Benetzung erfordern. Sie ist nicht automatisch für jedes Modul die beste Wahl. Phasenwechselmaterialien können die Handhabung vereinfachen, Kontaktpads können größere Spalten überbrücken oder eine gezielte Isolierung bieten, und Graphit kann Wärme seitlich ableiten. Vergleichen Sie die tatsächliche Geometrie, die elektrischen Anforderungen, den Produktionsablauf und das Lebensdauerprofil.

A Wärmeleitmaterial mit Phasenwechsel kann vorteilhaft sein, wenn ein sauberer Vorbehandlungsprozess und eine höhere Beständigkeit gegen Fettmigration gefragt sind. Überprüfen Sie die Aktivierungstemperatur, den Druck und den Oberflächenkontakt.

Unterlegscheiben sind nützlich, wenn ein messbarer Spalt oder Höhenunterschiede bei den Bauteilen vorliegen. Ohne Neukonstruktion sind sie jedoch kein direkter Ersatz für eine dünne Fettfuge. Graphit ist stark anisotrop: Eine hervorragende seitliche Leitfähigkeit bedeutet nicht automatisch einen geringen Widerstand an der Grenzfläche in der Ebene.

Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Leistungselektronik

Leistungsmodulfett kommt in Traktionswechselrichtern, Industrieantrieben, Umrichtern für erneuerbare Energien, USV-Anlagen und anderen Hochstromgeräten zum Einsatz. Die Auswahlkriterien sind ähnlich, jedoch ändern sich die vorherrschenden Belastungen. Bei Fahrzeugsystemen stehen extreme Zyklen und der Schutz vor Verunreinigungen im Vordergrund. Bei industriellen Systemen können eine lange Lebensdauer, Reparaturfreundlichkeit und die Wiederholbarkeit von Prozessen Vorrang haben. Bei Anlagen für erneuerbare Energien kommen zudem vielfältige Umgebungsbedingungen und der Fernbetrieb hinzu.

Antriebswechselrichter und Bordladegerät für Elektrofahrzeuge

Ein Wechselrichter für Elektrofahrzeuge kann SiC- oder IGBT-Module verwenden, die auf einer Flüssigkeitskühlplatte montiert sind. Aufgrund der hohen Leistungsdichte macht sich bereits eine geringfügige Änderung der Schnittstelle in der Sperrschichttemperatur bemerkbar. Die Qualifizierung sollte Kühlmittelbedingungen, Leistungszyklen, Vibration und chemische Verträglichkeit umfassen. Das Schmierfett muss zudem für einen kontrollierten Montageprozess in der Automobilindustrie geeignet sein.

Industriemotorantrieb und Servosystem

Industrieantriebe sind über lange Zeiträume im Einsatz und können Staub, Vibrationen und unregelmäßiger Wartung ausgesetzt sein. Eine gleichmäßige Schablonenbeschichtung und eine stabile Wärmebeständigkeit sind oft wichtiger als das Streben nach der höchsten in den Datenblättern angegebenen Leitfähigkeit. Bei Nachbearbeitungs- und Austauschvorgängen vor Ort sollte dieselbe kontrollierte Menge wie in der Produktion verwendet werden.

Solar-Wechselrichter und Energiespeicher-PCS

Solar- und Batterieumwandlungssysteme sind täglichen Temperaturzyklen und starken Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt. Die Überprüfung auf Auspump- und Austrocknungsrisiken verdient besondere Beachtung. Der Leitfaden von Haktak zu Wärmeleitpaste für Wechselrichter geht näher auf diesen betrieblichen Kontext ein.

USV, Schweißgeräte und Hochleistungsstromversorgungen

Diese Systeme können hohen transienten Belastungen ausgesetzt sein und über eine Zwangsluft- oder Flüssigkeitskühlung verfügen. Überprüfen Sie die Spitzentemperatur, den Anpressdruck und die Kühlleistung. Eine kurzzeitige Überlastung mag zwar aus elektrischer Sicht akzeptabel sein, kann jedoch dennoch zu starken Temperaturschwankungen an der Schnittstelle führen.

Prüfnormen und ein realistischer Qualifizierungsplan

Es gibt kein einzelnes Zertifikat, das belegt, dass Wärmeleitpaste unter einem Leistungsmodul funktioniert. Standardverfahren liefern vergleichbare Materialdaten, während der Test der Endmontage die Funktionsfähigkeit der Schnittstelle nachweist. Ein sinnvoller Plan sieht vor, von der Prüfung der Datenblätter zu kontrollierten Materialtests, der Prozessfähigkeit, repräsentativen Modultests und Alterungsversuchen überzugehen. Messen Sie die Leistung nach der Umweltbelastung erneut.

ASTM D5470 und Messung der TIM-Eigenschaften

ASTM D5470 wird häufig als Referenz für die stationären Wärmeübertragungseigenschaften von wärmeleitenden Werkstoffen herangezogen. Anhand dieser Norm lassen sich unter kontrollierten Bedingungen die thermische Impedanz und die scheinbare Leitfähigkeit ableiten. Die ASTM stellt zudem klar, dass ein idealisiertes Verfahren nicht jede reale Grenzfläche abbilden kann. Oberflächenbeschaffenheit, Druck, Dicke und Probenvorbereitung spielen nach wie vor eine Rolle.

JESD51-Konzepte zur Temperaturmessung

Die JEDEC-JESD51-Reihe enthält Konzepte und Verfahren zur thermischen Charakterisierung von Halbleitern. Diese sind bei der Planung von Messungen der Sperrschichttemperatur und thermischer Netzwerke hilfreich. Sie stellen keine eigenständige Zertifizierung für Wärmeleitpaste dar. Wenden Sie das für das jeweilige Bauteil und das Testziel geeignete Verfahren an.

IEC 60068 und anwendungsspezifische Umweltprüfungen

Die Verfahren der Norm IEC 60068 werden üblicherweise als Bausteine für Prüfungen hinsichtlich Trockenhitze, Feuchtheitze, Temperaturwechsel, Stoß- und Schwingungsbelastung verwendet. Wählen Sie Prüfungen aus, die die Einsatzumgebung des Produkts widerspiegeln. In Programmen für die Automobil-, Eisenbahn- und Erneuerbare-Energien-Branche oder in kundenspezifischen Programmen können eigene Zyklen und Abnahmegrenzen hinzugefügt werden.

Haktaks Überblick über Gängige TIM-Prüfstandards kann Teams dabei helfen, Materialprüfungstests von Zuverlässigkeitstests für Baugruppen zu trennen.

Empfohlene Qualifikationsleiter

1. Dokumentation prüfen. Überprüfen Sie TDS, SDS, Konformität, Lagerung, Haltbarkeit und Rückverfolgbarkeit.
2. Führen Sie kontrollierte TIM-Tests durch. Vergleichen Sie die in Frage kommenden Werkstoffe bei verschiedenen relevanten Klebeflächen und Drücken.
3. Machen Sie sich mit dem Bewerbungsverfahren vertraut. Messen Sie die abgeschiedene Masse, die Position, die Wiederholgenauigkeit und etwaige Fehler.
4. Testen Sie die repräsentative Baugruppe. Verwenden Sie das Originalmodul, den Kühler, die Befestigungselemente sowie Kühlmittel oder Luftstrom.
5. Umweltbelastungen ausüben. Führen Sie je nach Bedarf Temperaturwechsel-, Ein- und Ausschalt-, Feuchtigkeits- und Vibrationstests durch.
6. Überprüfen und erneut vermessen. Vergleichen Sie den Wärmewiderstand, die Abdeckung, das Ausbluten, die Migration und den mechanischen Zustand.

Was man einem Anbieter von Wärmeleitpaste schicken sollte

Eine hilfreiche Empfehlung beginnt mit Informationen zur Montage und nicht mit der Anfrage nach “der Paste mit dem höchsten W/mK-Wert”. Geben Sie Angaben zu Modul, Kühlkörper, Temperaturziel, Geometrie, Montageverfahren, Produktionsmethode und Zuverlässigkeitsprofil an. Anhand dieser Informationen kann ein Lieferant die chemischen Eigenschaften und die Rheologie eingrenzen, Muster vorschlagen und bei der Ausarbeitung eines realistischen Validierungsplans helfen.

Erstellen Sie den folgenden Bericht:

• Hersteller des Leistungsmoduls, Artikelnummer und Montageanleitung.
• Modulaufbau, Grundplattengröße und aktive Heizfläche.
• Material, Beschichtung, Ebenheit und Rauheit von Kühlkörpern oder Kühlplatten.
• Geräteverlust, Kühlmittel- oder Umgebungsbedingungen sowie Temperaturgrenzwerte.
• Maximal zulässiger Schnittstellenwiderstand.
• Schraubenanordnung, Drehmomentfolge und geschätzter Anpressdruck.
• Bevorzugtes Verfahren: Schablonendruck, Druck, Dosierung oder vorgetragenes Verfahren.
• Dauertemperaturprofil, Spitzentemperaturprofil und zyklisches Temperaturprofil.
• Vibrationen, Feuchtigkeit, Chemikalien und erwartete Lebensdauer.
• Vorschriften zur elektrischen Isolierung und zum Einsatz von Silikon.
• Anforderungen hinsichtlich Prototypenmenge, Jahresvolumen, Verpackung und Rückverfolgbarkeit.

Für Anwendungen, bei denen eine sehr dünne Trennschicht im Vordergrund steht, kann Haktak eine Fett mit geringem Wärmewiderstand im Vergleich zur tatsächlichen Bindungslinie und Produktionsmethode.

Möchten Sie Kandidaten in Ihrem eigenen Modul-Stack vergleichen? Muster anfordern oder eine Materialempfehlung einholen mit der Modulzeichnung, den Details zum Kühler und dem Betriebsprofil.

Häufig gestellte Fragen

Welches Wärmeleitpaste eignet sich am besten für ein IGBT-Leistungsmodul?

Das beste Schmierfett ist dasjenige, das den Sollwert für die Modultemperatur bei einer dünnen, reproduzierbaren Klebefuge erreicht und nach den erforderlichen Zyklen stabil bleibt. Vergleichen Sie die thermische Impedanz an der Grenzfläche, die Verarbeitbarkeit, die Auspumpbeständigkeit, die Temperaturstabilität und die Verträglichkeit. Befolgen Sie die Montageanweisungen des IGBT-Herstellers, bevor Sie die Dicke oder das Auftragsmuster festlegen.

Wie dick sollte die Wärmeleitpaste unter einem Leistungsmodul sein?

Es gibt keine allgemeingültige Dicke. Die von den Herstellern angegebenen Werte liegen oft im Bereich von einigen zehn bis zu einigen hundert Mikrometern, doch jeder Wert bezieht sich auf ein bestimmtes Modul und den jeweiligen Zustand des Kühlkörpers. Befolgen Sie die Montageanleitung für das Modul, kontrollieren Sie die aufgetragene Schichtdicke und überprüfen Sie das montierte Übertragungsmuster sowie das thermische Ergebnis.

Ist eine höhere Wärmeleitfähigkeit bei Schmiermitteln für Leistungsmodule immer besser?

Nein. Ein höherer W/mK-Wert kann zwar hilfreich sein, doch eine dickere Schicht oder eine schlechte Benetzung können diesen Vorteil zunichte machen. Die thermische Impedanz an der tatsächlichen Klebefläche sowie der Anpressdruck sind in der Regel aussagekräftiger. Auch die Langzeitstabilität und die Wiederholbarkeit im Produktionsprozess spielen eine Rolle.

Sollte die Wärmeleitpaste die gesamte Grundplatte des Moduls bedecken?

Die fertige Oberfläche sollte den vorgesehenen Wärmeübertragungsbereich lückenlos abdecken, ohne dass schädliche Hohlräume entstehen. Das bedeutet nicht immer, dass ein durchgehendes Rechteck gedruckt werden muss. Modulspezifische Schablonenmuster können separate Aufträge vorsehen, die sich beim Einbau ausbreiten. Halten Sie sich an das für das Modul genehmigte Muster.

Ist der Schablonendruck besser als der Druck mit einer Walze oder einem Spachtel?

Der Schablonendruck ist in der Regel für die Serienfertigung besser reproduzierbar, da er das Volumen und die Position genau steuert. Eine Walze oder ein Spachtel können für Prototypen, Reparaturen oder Kleinserien akzeptiert werden, sofern der Modulhersteller dies zulässt und das Ergebnis geprüft wird. Das Verfahren muss die spezifizierte bestückte Schnittstelle ergeben.

Kann Wärmeleitpaste bei Temperaturwechselbeanspruchung herausgepumpt werden?

Ja. Durch wiederholtes Ausdehnen und Zusammenziehen kann sich das Schmierfett aus den aktiven Bereichen verlagern, insbesondere wenn die Zusammensetzung, der Druck und die Oberflächenbewegung nicht optimal aufeinander abgestimmt sind. Führen Sie einen Temperatur- oder Leistungszyklus durch, überprüfen Sie anschließend die Abdeckung und wiederholen Sie die Temperaturmessung.

Ist Wärmeleitpaste für Leistungsmodule elektrisch isolierend?

Manche Produkte sind elektrisch nicht leitfähig, doch sollte man dies niemals allein aufgrund des Aussehens oder des Begriffs “Fett” annehmen. Überprüfen Sie das Datenblatt und die Sicherheitsarchitektur. Eine dünne Schicht der Masse erfüllt möglicherweise nicht die erforderlichen Anforderungen hinsichtlich dielektrischer Festigkeit, Kriechweg und Luftstrecke.

Wann sollte ich anstelle von Wärmeleitpaste ein Phasenwechselmaterial verwenden?

Ziehen Sie Phasenwechselmaterial in Betracht, wenn Sie bei einer dünnen Klemmverbindung eine saubere Auftragung, eine kontrollierte Dosierung und geringere Abweichungen bei der Handhabung erzielen möchten. Überprüfen Sie die Aktivierungstemperatur, die Benetzbarkeit, den Druck und die Zuverlässigkeit. Fett kann weiterhin vorzuziehen sein, wenn eine Benetzbarkeit bei Raumtemperatur und eine einfache Nachbearbeitung wichtig sind.

Wie berechne ich die benötigte Menge an Wärmeleitpaste für ein Modul?

Schätzen Sie die Masse anhand der effektiven beschichteten Fläche, der durchschnittlichen Schichtdicke und der Materialdichte. Verfeinern Sie diese Schätzung anschließend anhand des tatsächlichen Schablonenmusters und eines Transfertests an der montierten Schablone. In der Produktion ist das Wiegen der Teile vor und nach dem Auftragen eine praktische Methode, um die aufgetragene Menge zu überwachen.

Wie sollte Wärmeleitpaste vor der Serienproduktion geprüft werden?

Beginnen Sie mit einer Material- und Konformitätsprüfung und vergleichen Sie anschließend die Kandidaten bei den relevanten Dicken und Drücken. Führen Sie eine Prozessfähigkeitsstudie durch, messen Sie die thermische Leistung in der tatsächlichen Baugruppe aus Modul und Kühler, führen Sie die erforderlichen Umweltzyklen durch und prüfen Sie abschließend die Abdeckung und messen Sie den Wärmewiderstand erneut.