Wärmeleitmaterialien für Leistungselektronikanwendungen transportieren Wärme über den unvollkommenen Kontakt zwischen einem Leistungshalbleiter und seinem Kühlkörper oder seiner Kühlplatte. Die Wahl des Materials ist eine Systementscheidung und nicht die Suche nach dem höchsten Wert im Datenblatt. Zwei scheinbar ebene Grundflächen berühren sich nur über einen kleinen Teil ihrer Fläche. Die in den verbleibenden Spalten eingeschlossene Luft leitet Wärme schlecht (ca. 0,025 W/m·K), daher muss ein besseres Material verwendet werden, um sie zu verdrängen. Eine Fachzeitschrift für Hochleistungselektronik berichtet von stationären Wärmestromdichten in der Größenordnung von 150–200 W/cm² und gepulsten Werten über 400 W/cm². Bei diesen Wärmestromdichten kann eine dünne, schlecht angepasste Grenzfläche den Temperaturanstieg maßgeblich beeinflussen, selbst wenn alle anderen Schichten optimal ausgelegt sind. Die folgenden Abschnitte erläutern die Funktion der Grenzfläche, warum die alleinige Betrachtung der Wärmeleitfähigkeit irreführend ist, welche Materialfamilien verfügbar sind und wie Spaltbreite, Isolierung, Aushärtung und Montageverfahren die optimale Lösung bestimmen.
Welche Funktion hat ein Wärmeleitmaterial in einem Leistungselektronik-Stack?
Das Wärmeleitmaterial ist die einzige Schicht im Leistungsmodulstapel, deren Wärmeleitfähigkeit nicht physikalisch, sondern durch die Montage kontrolliert werden kann. Die Wärme verlässt den Chip und durchdringt die Chipbefestigung, das Substrat (oft eine direkt geklebte Kupferschicht) und die Grundplatte, bevor sie in den Kühlkörper oder die Flüssigkühlplatte gelangt. Jede dieser Schichten hat nach dem Modulbau ein festes Material und eine feste Geometrie. Anders verhält es sich mit der Verbindung zwischen Grundplatte und Kühlkörper: Sie wird bei der Montage befüllt, und ihr Wärmewiderstand hängt von der Qualität dieser Befüllung ab. Da dieser Wert variabel und oft ungenau kontrolliert ist, trägt diese Verbindung häufig zum gesamten Wärmepfad bei. Wie groß dieser Beitrag ist, hängt vom jeweiligen Stapel ab; daher sollte er gemessen und nicht angenommen werden.
Die Kontaktfläche ist entscheidend, da der Kontaktwiderstand proportional zur tatsächlichen Metall-zu-Metall-Kontaktfläche ist, die bei bearbeiteten Oberflächen gering ist. Oberflächenrauheit, Verzug durch das Löten und die Art der Fixierung hinterlassen mikroskopische und makroskopische Hohlräume. Eine Wärmeleitpaste (TIM) füllt diese Hohlräume, sodass die Wärme durch das feste Material geleitet wird, anstatt sich in der Luft zu stauen. Das gleiche Leistungsmodul kann dann messbar kühler oder wärmer laufen, je nachdem, welche Schicht die Hohlräume füllt und wie diese verarbeitet wurde. Überprüfen Sie die Größe dieses Effekts für Ihren eigenen Chipaufbau, indem Sie die Gehäuse- oder Sperrschichttemperatur unter Last messen.
Warum eine höhere Leitfähigkeit allein die Sperrschichttemperatur nicht senkt
Das Streben nach der höchsten Wärmeleitfähigkeit führt häufig zu unnötigen Kosten und verfehlt trotzdem das Temperaturziel. Der Wert, der die Kontaktstelle erreicht, entspricht dem Wärmewiderstand der gesamten Verbindung. Dieser Widerstand hängt mindestens ebenso stark von der Dicke der Klebeschicht und dem Kontaktwiderstand wie von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab. Eine zu dick aufgetragene Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann gegenüber einem Material mit mittlerer Wärmeleitfähigkeit, das jedoch sachgemäß verwendet wird, unterlegen sein. Dasselbe gilt für ein steifes Pad, das sich unter der vorhandenen Klemmkraft nicht anpasst.
Die Dicke der Klebefuge ist ein oft übersehener Faktor. Schmierfette lassen sich unter Druck auf wenige zehn Mikrometer verdichten. Ein Kontaktpad muss oft um ein Vielfaches dicker sein, um Unebenheiten auszugleichen, und der Widerstand steigt proportional zur Dicke. Bei Hochleistungsmodulen ist ein niedriger Verbindungswiderstand ein gängiges Ziel, häufig angegeben mit unter 1,0 kΩ·cm²/W. Dieser Wert ist jedoch anwendungsabhängig und kein Standard. Er wird erreicht, indem die Materialeigenschaften und die Anwendung an den tatsächlichen Spalt angepasst werden, nicht durch Ablesen des höchsten W/m·K-Werts. Überprüfen Sie das Ergebnis anhand des installierten Widerstands oder der gemessenen Gehäusetemperatur unter Last, da die allein angegebene Leitfähigkeit keine Aussage über die Leistung der gesamten Baugruppe zulässt.
Wärmeleitpastenfamilien in der Leistungselektronik und ihre Vor- und Nachteile
Jede TIM-Familie bietet einen Kompromiss zwischen Wärmeleistung, Spalttoleranz, elektrischem Verhalten und Nachbearbeitbarkeit. Deshalb ergibt sich die richtige Familie aus der Grenzfläche und nicht aus den Leitfähigkeitsspezifikationen. Arten und Eigenschaften Die Überlappung ist so groß, dass Spaltbreite und Montageart in der Regel die Wahl bestimmen, nicht die Leitfähigkeit an sich. Die Tabelle gibt typische, zustandsabhängige Bereiche für den Vergleich von Produktfamilien anhand der für die Entscheidung relevanten Dimensionen an.
| TIM-Familie | Leitfähigkeit (W/m·K) | Wärmestromrichtung | Typische Klebefuge / Spalt | Elektrisch isolierend? | Überarbeitbar? | Optimale Passform in der Leistungselektronik |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Wärmeleitpaste | ~2–10 (erweiterte Noten höher) | Durch die Ebene | Zehn Mikrometer unter Druck | Klassenabhängig | Begrenzt; unordentlich, Abpumprisiko | Flache, gut verklemmte Modul-Kühlplatten-Verbindungen |
| Lückenpolster | ~1–5 | Durch die Ebene | Bruchteile eines Millimeters bis zu einigen Millimetern | Verfügbare Isolierqualitäten | Ja | Ungleichmäßige Spaltmaße, geringerer Montagedruck |
| Phasenwechselmaterial | Klassenabhängig | Durch die Ebene | Dünne, selbstnivellierende Übergangszone | Klassenabhängig | Halbpermanent | Hochleistungsfähige Flachverbindungen, die einen niedrigen, wiederholbaren Widerstand erfordern |
| Spaltfüller (dosiert) | ~1–4 | Durch die Ebene | Passt sich der Lücke an | Klassenabhängig | Begrenzt nach Aushärtung | Große oder ungleichmäßige Toleranzen |
| Wärmeleitfähiger Klebstoff | ~1–4 (Fachgrad höher) | Durch die Ebene | Dünn bis mittel | Klassenabhängig | Nein – strukturelle Bindung | Wenn eine strukturelle Verklebung erforderlich ist |
| Graphit-/Kohlenstofffilm | Hohe Werte in der Ebene; niedrigere Werte senkrecht zur Ebene | Ausbreitung in der Ebene | Sehr dünn | Oft elektrisch leitfähig | Mäßig | Dünne, flache Gelenke, bei denen die seitliche Spreizung hilft |
Der installierte Verbindungswiderstand ist der entscheidende Faktor für die Sperrschichttemperatur. Da die veröffentlichten Werte für diese Bauteilfamilien nicht einheitlich sind, sollte die Leitfähigkeitsspalte lediglich als Richtwert für die Größenordnung dienen und der Widerstand im installierten Zustand überprüft werden. Schmierfette und Phasenwechselmaterialien eignen sich für ebene, fest geklemmte Oberflächen, da sie eine dünne Klebeschicht bilden und unter Last einen niedrigen Widerstand aufweisen. Pads und aufgetragene Spaltfüller kommen zum Einsatz, wenn der Spalt größer oder uneben ist und die Klemmkraft begrenzt ist. Sie bieten zwar eine gewisse Nachgiebigkeit, füllen den Spalt aber auf Kosten der Leitfähigkeit, ohne das Modul zu belasten. Klebstoffe sorgen für strukturelle Verklebung oder Vibrationsfestigkeit, wenn die Verbindung belastet werden muss, beeinträchtigen jedoch die Nachbearbeitbarkeit.
Abstimmung eines Wärmeleitmittels auf die Schnittstelle: Spalt, Ebenheit, Montagespannung und Automatisierung
Beginnen Sie die Auswahl anhand des Spaltmaßes und der Ebenheit der Kontaktfläche. Diese Werte bestimmen die erforderliche Nachgiebigkeit des Materials, bevor ein Vergleich der Leitfähigkeit sinnvoll ist. Eine Verbindung mit einer Toleranz von wenigen zehn Mikrometern, die fest eingespannt ist, eignet sich für ein dünnes Fett oder einen Phasenwechselfilm. Eine verzogene Grundplatte oder ein Stapel mit großen Toleranzen erfordert ein Spaltpad oder einen aufgetragenen Spaltfüller, der sich ohne hohen Druck anpasst. Messen Sie den tatsächlichen Spalt und seine Variation über die Kontaktfläche, nicht den nominellen Wert, da dieser das Ergebnis oft verfälscht.
Montagespannungen können selbst ansonsten gute Materialien unbrauchbar machen. Ein steifes Pad mit hoher Leitfähigkeit kann Kräfte durch ein großes SiC- oder IGBT-Modul übertragen. Ob diese Kraft ausreicht, um das Substrat zu verformen oder Lötstellen durch Temperaturwechsel zu ermüden, hängt von der Modulkonstruktion und der Klemmkonstruktion ab. Fragen Sie den Lieferanten nach Kompressions- und Durchbiegungsdaten und vergleichen Sie diese mit der Kraft, die Ihre mechanische Konstruktion tatsächlich aufbringen kann. Die nachgiebige Variante ist manchmal die zuverlässigere, selbst bei geringerer Leitfähigkeit.
Die Automatisierungsmethode entscheidet darüber, welche Materialien auch bei großen Stückzahlen reproduzierbare Ergebnisse liefern. Dosierte Spaltfüller und schablonenbedruckte Fette eignen sich für automatisierte Linien und ermöglichen eine präzise Kontrolle der Klebefuge von Einheit zu Einheit. Manuell aufgebrachte Pads bieten zwar einfachere Werkzeuge, schränken diese Kontrolle aber etwas ein. Ein Material, das ein Techniker von Hand gut aufträgt, kann bei der Serienproduktion stärker variieren. Daher sollte die Applikationsmethode vor der endgültigen Entscheidung anhand von Daten zur Klebefuge oder zum Widerstand von Einheit zu Einheit geprüft werden. Wenn alle relevanten Faktoren wie Schnittstelle, Spalt, Isolierung und Prozess berücksichtigt werden müssen, ist die Priorisierung dieser Faktoren entscheidend für eine fundierte Auswahl – nicht die Sortierung nach Leitfähigkeit.
Elektrische Isolierung, Aushärtung und Zuverlässigkeit unter thermischer Belastung
Bestimmen Sie zunächst die elektrische Funktion der Schnittstelle, da dies ganze Materialgruppen ausschließen kann. Wenn das Wärmeleitmaterial (TIM) zwischen einer stromführenden Grundplatte und einem geerdeten Kühler liegt und die Isolation gewährleistet, muss es ausreichend isolierend sein. Isoliermaterialien sind üblicherweise für Durchschlagsfestigkeiten von mehreren kV/mm ausgelegt. Der nutzbare Wert hängt vom jeweiligen Produkt und der Dicke ab; überprüfen Sie ihn daher im Datenblatt. Wird die Isolation an anderer Stelle im Stack realisiert, bieten sich elektrisch leitfähige Optionen wie metallbeschichtete oder Graphitmaterialien an. Die Herausforderung besteht dann darin, diese von benachbarten Leiterbahnen fernzuhalten.
Aushärtungs- und Haftverhalten entscheiden über die Funktionsfähigkeit der Verbindung. Nicht aushärtende Fette, Gele und Pads ermöglichen die Nachbearbeitung oder den Austausch eines Moduls. Ein wärmeleitender Klebstoff härtet zu einer vibrationsbeständigen Strukturverbindung aus, ist aber – je nach Klebstoff – in der Regel nicht ohne Beschädigung der Verbindung nachbearbeitbar. Wählen Sie ein aushärtendes Material nur dann, wenn die Haftung zwingend erforderlich ist, da sie Reparaturen, Garantieabwicklung und Nacharbeiten an der Produktionslinie beeinflusst.
Die Zuverlässigkeit unter thermischer Belastung ist ein Bereich, in dem selbst präzise Messungen am ersten Tag im Betrieb versagen können. Schmierfette können austrocknen und auspumpen, da durch die wiederholte Ausdehnung und Kontraktion Material aus der Verbindung austritt. Kontaktflächen können Druckverformungen erleiden, und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten können zu Delaminationen oder Hohlräumen führen, die den Widerstand mit der Zeit erhöhen. Wie schnell diese Probleme auftreten, hängt von der Materialzusammensetzung, dem Anpressdruck, der Klebeverbindung sowie dem Temperaturbereich und dem Temperaturzyklusprofil ab, dem das Bauteil ausgesetzt ist. Daher sollten diese Faktoren als Risiken und nicht als Gewissheiten betrachtet werden. ASTM D5470 bietet eine gemeinsame Grundlage für die Messung von Wärmeübertragung und Wärmewiderstand im stationären Zustand unter festgelegten Bedingungen. Da diese Norm die Alterung nicht simuliert, sollten die Messwerte mit Daten zur Auspumpbarkeit und zu thermischen Zyklen für die tatsächlichen Temperaturen Ihrer Leistungselektronik kombiniert werden.
Anwendung von Wärmeleitpasten entlang des Zell-Kühlmittel-Pfades in EV- und ESS-Akkumulatoren
In einem Akkumulator für Elektrofahrzeuge oder Energiespeichersysteme kommt eine Wärmeleitpaste (TIM) in mehreren Wärmepfaden vor, die nicht in Reihe geschaltet sind. Die Zellen geben Wärme über ihre eigene Grenzfläche an eine Kühlplatte oder Kühlstruktur ab: Zelle → TIM → Kühlplatte. Die Leistungselektronik bildet einen separaten Pfad, in dem der Halbleiterübergang Wärme durch das Gehäuse und die Grundplatte, durch eine Wärmeleitpaste und an einen Kühlkörper oder eine Kühlplatte ableitet. Der Traktionswechselrichter und seine IGBT- oder SiC-Module sind keine zwingende Schicht zwischen den Zellen und dem Kühlmittel. Sie stellen eine parallele Last auf derselben Kühlarchitektur dar. Bei geeigneter Wahl der Grenzflächen bleibt der Widerstand beider Pfade im zulässigen Bereich während des Betriebszyklus des Akkus.
Die Form der Schnittstelle variiert je nach Position. Überprüfen Sie sie daher anhand des tatsächlichen Gehäuses und der Montage, anstatt sie anzunehmen. Fest verklemmte Grundplatten von Leistungsmodulen können ebene, präzise Verbindungen aufweisen, bei denen sich eine dünne Wärmeleitpaste oder ein Phasenwechselfilm auszahlt. Elektronik- und Steuerplatinen auf der Batterieseite weisen häufiger ungleichmäßige Spalten auf, die sich für komprimierbare Spaltfüller und Pads eignen. Überprüfen Sie jedoch Ebenheit, Verklemmung und Spaltmaße an der realen Baugruppe. Die Abstimmung jeder Schnittstelle auf ihren Kühler ist entscheidend für die Optimierung des gesamten Akkupacks, denn selbst die beste Kühlplatte ist nutzlos, wenn die Zuleitung zu dick oder hohl ist. Trumonytechs entwickelt Wärmeleitmaterialien und passende Flüssigkühlplatten für die Kühlung von Akkupacks und Leistungselektronik.; Entdecken Sie unsere TIM-Lösungen Um ein Spaltfüllmaterial, eine Ausgleichsschicht oder ein aufgetragenes Material mit dem Kühlbauteil, an dem es anliegt, abzustimmen, gilt dasselbe Prinzip überall dort, wo Leistungselektronik verbaut ist, vom Fahrzeugwechselrichter bis hin zu … Energiespeicherbatterien in Rechenzentren, wobei der Tastgrad und die Spaltvariation das Material stärker bestimmen als jede einzelne Leitfähigkeitsangabe.
Schlussfolgerung
Die Schnittstelle, nicht das Datenblatt, sollte das Wärmeleitmaterial für Leistungselektronik bestimmen. Bevor Sie eine engere Auswahl treffen, müssen vier Kriterien erfüllt sein: der Spalt und seine Schwankungen, die durch die mechanische Konstruktion zulässige Klemmkraft, ob die Verbindung isolierend sein muss und ob sie funktionsfähig bleiben muss. Diese Kriterien schränken die Auswahl ein, und die Wärmeleitfähigkeit gibt den Ausschlag. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) als Zielwert zu betrachten, ist ein Trugschluss, da die Dicke der Klebeschicht, der Kontaktwiderstand und das zyklische Verhalten die tatsächliche Belastung der Verbindung bestimmen. Bestätigen Sie die Wahl anhand des installierten Widerstands oder der Gehäusetemperatur unter realer Last. Qualifizieren Sie schließlich die Schmierfette hinsichtlich ihrer Pumpfähigkeit über die gesamte Lebensdauer des Bauteils anhand einer definierten Zyklenzahl, eines Temperaturbereichs, einer Klemmbedingung und eines Ausfallkriteriums – nicht anhand einer allgemeinen Lebensdauerangabe.
FAQ
Benötige ich ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste für ein IGBT-Modul?
Wählen Sie die Wärmeleitpaste passend zur Verbindungsstelle, nicht nach dem Modulnamen. Wärmeleitpaste eignet sich für ebene, fest eingespannte IGBT-Grundplatten, da sie auch dünne Klebefugen erreicht. Ein Wärmeleitpad ist besser geeignet für unebene Spalten oder Konstruktionen mit geringer Klemmkraft. Wärmeleitpaste bietet einen geringeren Widerstand, wenn die Kontaktfläche optimal ist; ein Pad bietet zwar weniger Wärmeleitfähigkeit, ist aber flexibler und lässt sich leichter und wiederholgenauer platzieren.
Welche Wärmeleitfähigkeit benötige ich tatsächlich für ein SiC-Leistungsmodul?
Das sinnvolle Ziel ist ein niedriger Verbindungswiderstand, nicht ein einzelner Leitfähigkeitswert, da die Dicke der Klebeverbindung und der Kontaktwiderstand oft entscheidender sind. Bei Hochleistungsmodulen ist ein Verbindungswiderstand von unter etwa 1,0 K·cm²/W ein gängiges Ziel. Dieser Wert ist abhängig von den jeweiligen Bedingungen und wird erreicht, indem die Materialeigenschaften und die Anwendung an den tatsächlichen Spalt angepasst werden, nicht durch den Kauf des Produkts mit dem höchsten W/m·K-Wert.
Kann ich für Hochleistungsmodule ein Phasenwechselmaterial anstelle von Fett verwenden?
Oft ja. Phasenwechselmaterialien werden häufig für Hochleistungs-Flachverbindungen eingesetzt, da sie oberhalb ihrer Übergangstemperatur weich werden und eine dünne, niederohmige Klebeschicht bilden. Während die Eigenschaften von handaufgetragenem Fett von Gerät zu Gerät variieren, kann ein Phasenwechselfilm eine gleichmäßigere Klebeschicht gewährleisten. Dies sollten Sie jedoch für Ihr Produkt und Ihren Prozess überprüfen. Der Nachteil besteht darin, dass der Film semipermanent ist und eine ebene, gut fixierte Kontaktfläche benötigt, um optimal zu funktionieren.
Wie dick sollte die thermische Verbindungsschicht sein?
Streben Sie eine möglichst dünne Klebeschicht an, die die Kontaktfläche zulässt und gleichzeitig alle Hohlräume ausfüllt, da der Widerstand mit zunehmender Dicke steigt. Schmierfette und Phasenwechselfilme können unter Druck auf einer ebenen Verbindung mehrere zehn Mikrometer dick werden, während ein ungleichmäßiger Spalt eine dickere Kontaktfläche oder einen Spaltfüller erfordert. Messen Sie den tatsächlichen Spalt über die Kontaktfläche, anstatt sich auf den Nennwert zu verlassen.
Muss ein Wärmeleitmaterial (TIM) für Leistungselektronik elektrisch isolierend sein?
Nur wenn die Schnittstelle selbst die Trennung zwischen einer spannungsführenden Grundplatte und einem geerdeten Kühler gewährleistet, muss sie isolierend sein und über eine dielektrische Reserve für die angelegte Spannung und Dicke verfügen. Wird die Trennung an anderer Stelle im Aufbau realisiert, können elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden; in diesem Fall muss jedoch sichergestellt werden, dass diese nicht mit benachbarten Leitern in Berührung kommen.
Weiterführende Literatur
- Jüngste Fortschritte bei thermischen Schnittstellenmaterialien für das Wärmemanagement von Hochleistungselektronik — Peer-Review-Review (Micromachines, via NCBI PMC). Bestätigt die Werte für den Wärmestrom bei hohen Leistungen und die Leitfähigkeitsbereiche, die zur Begründung der oben genannten Materialabwägungen verwendet wurden.
- Fortschrittliche Wärmeleitmaterialien helfen, thermische Herausforderungen bei der Leistungsdichte zu bewältigen — Fachzeitschrift der Branche (Elektronikdesign). Hintergrundinformationen darüber, wie Wärmeleitmaterialien die steigende Leistungsdichte in modernen Leistungselektronikmodulen bewältigen.
