Ein Wärmeleitpad verbessert die Leistung von Leiterplatten, indem es den isolierenden Luftspalt zwischen einem heißen Bauteil und seinem Kühlkörper durch eine anpassungsfähige, feste Wärmeleitbahn ersetzt. Bei Trumonytechs entwickeln wir Thermopads und Flüssigkeitskühlplatten als Teil eines umfassenderen thermische Grenzflächenmaterialien Bei der Herstellung von Akkupacks und Leistungselektronikbaugruppen geht es für einen Thermoingenieur daher selten um die Frage, ob Wärme abgeführt werden soll. Vielmehr geht es darum, welches Schnittstellenmaterial zu dem Spalt, der Klemmspannung und der benötigten Isolierung der Leiterplatte passt.
Die folgenden Abschnitte erläutern die Funktionsweise von Wärmeleitpads auf einer Leiterplatte, die Auswahl des richtigen Pads anhand von Wärmeleitfähigkeit, Dicke und elektrischer Isolation, die Vorteile von Pads gegenüber Wärmeleitpaste sowie die korrekte Installation ohne Leistungseinbußen. Nicht behandelt werden die Gestaltung von Kühlplattenkanälen, das Layout von Kupfer und thermischen Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte, Zellformate, Kompromisse beim Druckabfall oder die Datenblattwerte spezifischer Trumonytechs-Modelle. Diese Werte hängen von der Leiterplatte und dem Gehäuse ab und werden individuell festgelegt.
Einführung in thermische Grenzflächenmaterialien
Ein Wärmeleitmaterial leitet Wärme über eine Verbindungsstelle, in der sich sonst Luft einschließen würde. Ein Wärmeleitpad ist das feste, vorgeformte Beispiel dieser Materialfamilie. Zwei scheinbar ebene Kontaktflächen berühren sich nur an wenigen Erhebungen, sodass der restliche Bereich der Verbindungsstelle mit Luft gefüllt ist. Luft leitet Wärme schlecht (ca. 0,026 W/m·K), während die von ihr getrennten Metalle um ein Vielfaches besser leiten. Diese dünne eingeschlossene Schicht bestimmt letztendlich den Wärmewiderstand des gesamten Aufbaus.
Ob ein Wärmeleitpad die beiden Seiten auch elektrisch isoliert, hängt vom Produkt ab, nicht von der Kategorie. Viele Pads verwenden ein Silikon- oder Nicht-Silikon-Bindemittel mit Füllstoffen wie Keramik oder Metalloxid, um die Wärmeübertragung zu verbessern und gleichzeitig dielektrisch zu bleiben. Andere verwenden leitfähige Füllstoffe wie Graphit und sind keine Isolatoren. Die Isolierung lässt sich nicht allein aus der Bezeichnung “Wärmeleitpad” oder dem Namen des Füllstoffs ableiten. Wenn ein Pad freiliegende Pins oder Leiterbahnen berühren kann, prüfen Sie, ob es isolierend ist. elektrisch leitfähig und überprüfen Sie die Nenndurchschlagsfestigkeit.
Warum das Wärmemanagement von Leiterplatten die Zuverlässigkeit beeinflusst
Unkontrollierte Wärme kann dazu führen, dass Bauteile ihre Nenntemperaturen überschreiten und unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Materialien auf der Platine verursachen. Halbleiter, Kondensatoren und integrierte Schaltungen haben jeweils einen definierten Betriebstemperaturbereich. Wird dieser überschritten, kann sich ihr elektrisches Verhalten verändern, bevor es zu einem Totalausfall kommt. Daher kann bereits eine Abweichung von der Spezifikation zu Störungen des Timings oder des Speichers führen.
Thermische Zyklen führen zu einem langsameren Prozess. Wenn sich Kupfer, Laminat, Lötmittel und Bauteilkörper unterschiedlich schnell erwärmen und abkühlen, äußert sich diese Differenz in mechanischen Spannungen an den Lötstellen. Nach genügend Zyklen kann diese Spannung zu Rissen im Lötmittel oder zum Ablösen von Lötpads führen. Wie viele Zyklen die Baugruppe übersteht, hängt von den Bauteilspezifikationen, dem Temperaturgradienten und dem Zyklusbereich ab – dem Hauptgrund dafür. Wärmemanagement ist wichtig auf einer dicht bestückten Leiterplatte.
Position der Wärmeleitpads im Wärmepfad der Leiterplatte
Ein Wärmeleitpad gehört an eine bestimmte Stelle: den Kontaktpunkt zwischen einem wärmeerzeugenden Bauteil und seinem Kühlkörper oder seiner Kühlplatte. Seine Aufgabe ist es, die mikroskopisch kleinen Unebenheiten auszugleichen, die durch Oberflächenrauheit und Toleranzen bei der Ebenheit entstehen. In der Praxis sind die beiden Flächen nie perfekt eben, daher muss sich das Pad unter Anpressdruck anpassen und über die gesamte Fläche Kontakt halten. Es ist überall dort einsetzbar, wo ein messbarer, reproduzierbarer Spalt vorhanden ist, den ein starrer Kühlkörper nicht allein schließen kann.
Bei höheren Wärmelasten ist das Pad eine Stufe in einem längeren Wärmeleitungsprozess. In einem Akkumulator eines Elektrofahrzeugs oder Energiespeichers fließt die Wärme häufig von einem Bauteil auf Platinenebene oder einem Leistungsmodul über das Pad zu einem Kühlkörper oder einem Strukturbauteil und dann in einen Flüssigkeitskreislauf. Trumonytechs-Lieferungen Flüssigkeitskühlplatten Für die nachfolgende Stufe sollte die Kühlkörper- oder Kühlplatte hinter dem Pad so dimensioniert werden, dass sie die Last tragen kann. Das Pad dient dabei als Schnittstelle, die die Wärme gleichmäßig vom Bauteil abführt.
Auswahl eines Wärmeleitpads: Wärmeleitfähigkeit, Dicke und Isolation
Beginnen Sie die Auswahl der Isolierpads anhand der Verbindungsstelle, nicht anhand des Datenblatts: Legen Sie zuerst den Spalt und die erforderliche Isolierung fest und wählen Sie anschließend Leitfähigkeit und Dicke passend dazu. Diese drei Variablen beeinflussen sich gegenseitig, und das Ablesen eines einzelnen Wertes aus dem Datenblatt ist der häufigste Grund für eine unzureichende Auslegung. Die folgenden Unterabschnitte behandeln diese Variablen in der üblicherweise relevanten Reihenfolge.
Wärmeleitfähigkeit
Eine höhere Wärmeleitfähigkeit des Materials verringert den Anteil des Wärmewiderstands am Gesamtwärmewiderstand des Pads. Die im Datenblatt angegebenen Werte sind jedoch Prüfmethodenwerte und keine Werte, die im freien Raum gemessen werden. Kommerzielle Pads weisen üblicherweise Wärmeleitfähigkeiten zwischen 1,5 und 15 W/m·K auf, abhängig vom Füllstoffsystem. Höhere Werte ergeben sich bei höher befüllten Kompositen. Diese Werte werden in der Regel nach einem stationären Standard wie ASTM D5470 gemessen, dem Prüfverfahren von ASTM International für die Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien. Zwei Pads sind nur dann vergleichbar, wenn sie auf dieselbe Weise charakterisiert wurden. Verwenden Sie den angegebenen W/m·K-Wert als Richtwert und überprüfen Sie anschließend den tatsächlichen Wärmewiderstand bei Ihrem eigenen Anpressdruck und Ihrer Klebefuge.
Dicke und Kompression
Die Dicke der Lötpads muss dem Spalt angepasst und die Pads entsprechend komprimiert werden. Lötpads sind in verschiedenen Dicken erhältlich, üblicherweise von etwa 0,5 mm bis zu mehreren Millimetern. Ein Lötpad wird in der Regel etwas dicker als der nominelle Spalt gewählt, sodass es durch die Klemmung komprimiert wird, oft um 20 bis 50 Prozent gemäß Herstellerangaben. Durch diese Kompression wird die Luft verdrängt und das Pad an beide Seiten angelegt. Eine zu hohe Kompression, um eine dünnere Lötverbindung zu erzielen, hat ihre Grenzen: Die Wärmeentwicklung kann beeinträchtigt werden, und die zusätzliche Last wird auf das Bauteil und die darunterliegenden Lötstellen übertragen.
Elektrische Isolierung und Kompatibilität
Behandeln Sie die Isolierung als Schutzbarriere, wenn das Pad an freiliegenden Leitern anliegt. Wo ein Pad Pins oder Leiterbahnen berühren kann, muss es die Betriebsspannung ableiten, ohne durchzuschlagen. Wählen Sie in diesem Fall ein Isolierprodukt mit angegebener Durchschlagsfestigkeit oder spezifischem Widerstand und den entsprechenden Testbedingungen. Gehen Sie nicht allein aufgrund der Produktkategorie oder der Bezeichnung des Füllstoffs von einer Isolierung aus. Silikonbasierte Pads sind weit verbreitet, da sie Konformität mit guten dielektrischen Eigenschaften kombinieren. Überprüfen Sie jedoch die Kompatibilität mit Temperatur, Ausgasung oder Ölaustritt, den Materialien, mit denen die Kontaktflächen in Kontakt stehen, und der geplanten Lebensdauer; gehen Sie nicht davon aus, dass dies über die gesamte Lebensdauer gilt.
Wärmeleitpad vs. Wärmeleitpaste
Wenn der Spalt real und reproduzierbar ist, greifen Sie zu einem Wärmeleitpad; wenn die Oberfläche nahezu eben ist und Sie eine möglichst dünne Klebeschicht benötigen, kann Wärmeleitpaste die bessere Wahl sein. Beide sind Optionen für die thermische Schnittstelle, Die Wahl richtet sich eher nach der Geometrie der Verbindung und dem Produktionsprozess als nach einer einzelnen Leitfähigkeitskennzahl.
| Faktor | Wärmeleitpad | Wärmeleitpaste |
|---|---|---|
| Lücke passt | Messbare, ungleichmäßige oder toleranzbedingte Lücken | Kleine, flache, gut kontrollierte Spalten |
| Bondlinie | Dicker; wird durch Polsterdicke und Kompression bestimmt. | Dünner; kann einen geringeren Widerstand erreichen |
| Montagehandhabung | Zuschneiden, platzieren, fixieren; saubere, vorgeformte Positionierung | Verteilt und verteilt; benötigt Druck und Pflege |
| Wiederverwendung bei Überarbeitung | Das hängt vom Zustand ab; ein Polster mit Druckstellen oder Beschädigungen wird normalerweise gemäß den Herstellerangaben ausgetauscht. | Wird üblicherweise erneut aufgetragen |
| Risiko durch Temperaturwechsel | Kann Druckverformungsreste oder Kriechen aufweisen; dies ist anhand der Rezeptur und der Bedingungen zu überprüfen. | Kann über mehrere Zyklen hinweg gefördert werden; Überprüfung anhand der Rezeptur und der Bedingungen. |
Bei ungleichmäßigen oder toleranzbedingten Spalten ist ein Pad in der Regel die reproduzierbarere Produktionswahl, da es die Spalte gleichmäßig ausfüllt. Bei ebenen Oberflächen und minimalem Widerstand kann Wärmeleitpaste die bessere Wahl sein, vorausgesetzt, der Prozess regelt den Druck und die Konstruktion berücksichtigt das Auspumpen bei Temperaturzyklen. Das Wiederverwendbarkeits- und Zyklenverhalten muss für das jeweilige Material und die Betriebsbedingungen geprüft werden; beides ist nicht durch die Materialkategorie garantiert.
Installationsschritte und häufige Fehler
Die korrekte Installation entscheidet über die Leistungsfähigkeit eines geeigneten Wärmeleitpads und beginnt mit sauberen, ebenen Kontaktflächen. Die meisten Verluste lassen sich auf wenige vermeidbare Fehler zurückführen. Die folgende Installationsreihenfolge gewährleistet daher einen intakten Wärmepfad vom Bauteil zum Kühlkörper.
- Reinigen Sie beide Seiten, damit sich kein Staub, Öl oder Rückstände zwischen dem Pad und dem Metall absetzen, da Verunreinigungen den Widerstand an der Stelle erhöhen, wo Sie sie entfernen möchten.
- Messen Sie die Kontaktfläche und schneiden Sie das Pad so zu, dass es die gesamte Fläche abdeckt, ohne es zu dehnen, denn durch das Dehnen wird das Material dünner und seine Eigenschaften verändern sich.
- Entfernen Sie jegliche Schutzfolie und legen Sie das Pad flach und ohne Falten oder Überlappungen auf das Bauteil, da sich sonst Luft einschließen und Hotspots entstehen könnten.
- Üben Sie gleichmäßigen Druck aus, um das Pad zu fixieren und eingeschlossene Luft herauszudrücken. Achten Sie darauf, dass die Kompression innerhalb des Nennbereichs des Pads bleibt.
- Den Kühlkörper oder das Kühlmodul mittig montieren und mit den dafür vorgesehenen Klemmen oder Schrauben befestigen, damit der Anpressdruck konstant bleibt.
- Prüfen Sie auf Lücken oder Fehlausrichtungen und überwachen Sie gegebenenfalls die Temperaturen unter Last, um sicherzustellen, dass die Schnittstelle einwandfrei funktioniert.
Häufige Fehler sind das Überdehnen des Pads, Lufteinschlüsse darunter und zu festes Anziehen. Überdehnung und Lufteinschlüsse erhöhen den Widerstand direkt, während zu festes Anziehen den geringen Wärmegewinn durch eine mechanische Belastung des Bauteils ausgleicht. Muss ein Pad entfernt werden, ist sein Zustand zu prüfen: Ein Pad mit Druckverformung oder Beschädigungen wird gemäß den Herstellerangaben in der Regel ersetzt und nicht wiederverwendet.
Schlussfolgerung
Ein Wärmeleitpad verbessert die Leistung einer Leiterplatte nur dann, wenn es optimal auf die jeweilige Lötstelle abgestimmt ist. Legen Sie zunächst den Spalt und die erforderliche Durchschlagsfestigkeit fest, wählen Sie eine Dicke, die innerhalb des Nennbereichs in den Spalt passt, und betrachten Sie den angegebenen W/m·K-Wert als Vergleichswert, der auf einer Prüfmethode wie ASTM D5470 basiert. Dieser letzte Punkt ist leicht zu übersehen: Ein höherer Wert im Datenblatt garantiert keinen geringeren Widerstand in Ihrer Baugruppe. Überprüfen Sie daher den Wärmewiderstand bei Ihrem tatsächlichen Anpressdruck und Ihrer Klebeverbindung.
Wenn Sie Pads, Spaltfüller oder Kühlplatten auf eine bestimmte Platine oder einen bestimmten Akku abstimmen, Kontakt Trumonytechs Die durch Spalt-, Druck- und Isolationsbeschränkungen bedingten Einschränkungen gegenüber den passenden Schnittstellenmaterialien zu überwinden.
FAQ
Ist für ein Leistungsmodul in einem beengten Gehäuse ein Wärmeleitpad oder eine Wärmeleitpaste besser geeignet?
Wählen Sie die Klebelösung passend zum Spalt. Ein Klebepad eignet sich für messbare oder unebene Spalten und hält die Positionierung auch bei Temperaturwechseln sicher, während Klebepaste für nahezu ebene Oberflächen geeignet ist, wo eine möglichst dünne Klebeschicht entscheidend ist. In einem engen Gehäuse mit realen Spalten und Toleranzen ist ein Klebepad in der Regel die reproduzierbarere Wahl für die Fertigung.
Wie dick sollte ein Wärmeleitpad sein?
Wählen Sie ein Unterlegpad, das etwas dicker als der Spalt ist, damit es beim Klemmen fest zusammengepresst wird. Der Wert liegt üblicherweise zwischen 20 und 50 Prozent der im Datenblatt angegebenen Dicke. Ein zu dünnes Pad lässt Luft zurück, ein zu dickes erhöht die mechanische Belastung beim Zusammendrücken.
Kann ich dem W/m·K-Wert auf dem Datenblatt eines Wärmeleitpads vertrauen?
Betrachten Sie den Wert als Richtwert, gemessen nach einem Prüfverfahren wie ASTM D5470, und nicht als garantierten Anwendungswert. Zwei Pads sind nur dann vergleichbar, wenn sie auf dieselbe Weise charakterisiert wurden. Bestätigen Sie daher den tatsächlichen Wärmewiderstand bei Ihrem Betriebsdruck und Ihrer Klebefuge.
Bedeutet eine höhere Wärmeleitfähigkeit immer eine bessere Kühlung?
Nein. Der tatsächliche Wärmewiderstand hängt auch von der Dicke der Klebeverbindung, dem Anpressdruck und der Passgenauigkeit des Pads ab. Ein Pad mit höherer Wärmeleitfähigkeit, das nicht richtig sitzt, kann eine geringere Leistung erbringen als ein Pad mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit, das einen vollständigen Kontakt herstellt.
Wann sollte ein Wärmeleitpad überprüft oder ausgetauscht werden?
Prüfen oder ersetzen Sie Bauteile abhängig vom Zustand, nicht nach einem festen Zeitplan. Prüfen Sie, wenn ein Bauteil heißer wird, nach jeder Demontage oder wenn die Kontaktfläche Druckverformung, Austrocknung, Risse oder Kontaktverlust aufweist. Beachten Sie die Hinweise des Herstellers zu Lebensdauer und Nacharbeit. Bei versiegelten oder nicht wartungsfähigen Baugruppen legen Sie die Schnittstellenstrategie während der Designvalidierung fest, anstatt Feldprüfungen einzuplanen.
Weiterführende Literatur
- ASTM D5470-17, Standardprüfverfahren für die Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitenden elektrischen Isoliermaterialien — ASTM International-Standard. Definiert die Methode zur Bestimmung des stationären Zustands hinter den W/m·K- und Wärmewiderstandswerten von Wärmeleitpads und untermauert damit die Aussage, dass die Leitfähigkeit im Datenblatt ein Wert aus einer Prüfmethode ist.
- Jüngste Fortschritte bei thermischen Schnittstellenmaterialien für das Wärmemanagement von Hochleistungselektronik — Peer-Review-Review, Nanomaterials (2022). Untersucht TIM-Typen und ihre Leitfähigkeitsbereiche und untermauert die Unterscheidung zwischen handelsüblichen Pads und Materialien für Forschungszwecke.
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