Een gestanst thermisch interface-materiaal is een thermische pad, folie of geleidende laag die in de gewenste vorm wordt gesneden voordat deze de assemblagelijn bereikt, in plaats van als vloeistof te worden gedoseerd of als vet te worden aangebracht. Voor een batterijpakket- of vermogenselektronica-ingenieur is die voorgevormde vorm cruciaal. Het materiaal past op zijn plaats met een herhaalbare dikte en oppervlakte, kan geautomatiseerd worden opgepakt en geplaatst, en heeft een eigen beschermlaag. Dit artikel behandelt de belangrijkste soorten gestanste thermische interface-materialen, hoe u kunt kiezen tussen een voorgesneden pad en een gedoseerde vulstof, en de variabelen die bepalen welk materiaal het meest geschikt is voor uw interface. Het behandelt geen doseerapparatuur, uithardingsovens of het elektrische ontwerp van het batterijpakket; het blijft bij de interface-laag zelf.
Wat verandert "stansen" aan een thermisch geleidend materiaal?
Stanssnijden verandert de consistentie en automatiseerbaarheid van de interface; het verandert echter niet het materiaal waaruit het onderliggende materiaal is gemaakt. Een voorgevormd onderdeel heeft een herhaalbare vorm en een herhaalbare nominale dikte, binnen een opgegeven productietolerantie. Dit maakt het mogelijk om de compressie en interfaceweerstand over meerdere assemblages te voorspellen. Dezelfde algemene thermische interface-eisen kunnen worden vervuld door een voorgevormd onderdeel of door een doseersysteem, maar de exacte samenstelling en het proces moeten worden bevestigd aan de hand van een specifieke kwaliteit. Ga hier niet van uit op basis van het formaat. Vetten en tweecomponentenepoxyharsen zijn helemaal niet geschikt voor stanssnijden, dus de keuze voor een gestanst formaat is deels een keuze met betrekking tot procesherhaalbaarheid en slechts deels met betrekking tot de thermische waarden.
Het compromis dat je sluit met een voorgesneden onderdeel is dat de dikte vastligt op de waarde die je bestelt, dus de pad moet zacht genoeg zijn om zich aan te passen aan de daadwerkelijke opening ervoor. Een gestanste pad die te hard is, overbrugt oneffenheden en laat holtes achter in de lagere gedeelten. Om dit te detecteren, meet je de compressiekracht die de pad uitoefent in de daadwerkelijke opening en weeg je deze af tegen de cel- en voegbelastingen die erop inwerken; de nominale geleidbaarheid alleen geeft je geen uitsluitsel. De aanpassing onder de compressie die je stapel toelaat, is de belangrijkste variabele die de meeste beslissingen over het type en de hardheid verderop in het proces bepaalt.
De belangrijkste soorten gestanste thermische interface materialen
De meeste gestanste thermische interface-materialen vallen in een paar families, waarbij elke familie een andere afweging biedt tussen geleidbaarheid, isolatie en flexibiliteit. De onderstaande families worden gebruikt als gestempelde onderdelen met een liner-achterkant; een puur vloeibaar materiaal zoals vet of een tweecomponentenvuller is een andere vorm, die in de volgende sectie apart wordt besproken.
Gap pads en thermische pads
Gap pads en thermische pads zijn de meest gebruikte gestanste vorm: zachte, gevulde siliconenplaten die op maat zijn gesneden en voorzien zijn van een beschermlaag. Zachtere, dikkere gap-pads dichten grotere of minder vlakke openingen af en houden de compressiekracht op kwetsbare onderdelen laag. Stevigere thermische pads, soms versterkt met glasvezel voor scheurweerstand, zijn geschikt voor dunnere, vlakkere oppervlakken. Hun geleidbaarheid is afkomstig van keramische vulstoffen zoals aluminiumoxide of boornitride, en een hogere vulstofconcentratie verhoogt doorgaans de geleidbaarheid, maar ook de hardheid. Een zeer hoog getal op het specificatieblad kan daarom een stijvere pad betekenen die zich minder goed aanpast. Als u een pad voornamelijk op basis van de nominale waarde kiest, behandel deze dan met een hogere waarde. thermische geleidbaarheid van het spleetkussen als één factor om af te wegen tegen de mate van zachtheid, niet als een cijfer dat op zichzelf gemaximaliseerd moet worden.
Grafietpads en -films
Grafietpads en -films zijn het overwegen waard wanneer een hoge warmteverspreiding in het vlak vereist is en een elektrisch geleidende laag mogelijk is. Grafiet geleidt warmte sterk in het vlak en sommige soorten zijn bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het nuttig is voor het zijdelings afvoeren van warmte naar een koelplaat. Het is geen elektrische isolator. Wanneer de interface ook kortsluiting tussen actieve onderdelen moet voorkomen, heeft grafiet een aparte diëlektrische laag nodig of moet het worden uitgesloten. Deze isolatie-eis, en niet de warmtegeleiding in het vlak, is meestal de doorslaggevende factor. Controleer de continue en piektemperatuur, de warmtegeleiding in het vlak versus loodrecht op het vlak en de diëlektrische limiet voor de specifieke grafietsoort, in plaats van aan te nemen dat één waarde de interface dekt.
Thermische tapes en zelfklevende folies
Thermische tapes en zelfklevende folies zijn nuttig wanneer de verbinding niet alleen warmte geleidt, maar ook hecht. Een gestanste thermische tape is voorzien van een drukgevoelige lijmlaag, waardoor een onderdeel met een eenvoudige plak- en hechtstap kan worden bevestigd. Hierbij wordt een deel van de thermische prestaties opgeofferd voor een betere mechanische hechting en een eenvoudigere montage. De lijmlaag kan een dunne, minder geleidende laag vormen, waardoor tapes doorgaans geschikt zijn voor verbindingen met een lagere warmteflux, of in situaties waar mechanische hechting en snelheid belangrijker zijn dan de laatste fractie van een graad.
Gestanst thermisch kussen of gedoseerd vulmateriaal: keuze op basis van de afstand tussen de openingen en de montagespanning
De keuze tussen een voorgesneden pad en een gedoseerde voegvuller hangt af van hoe uniform de voeg is en hoeveel spanning de stapel kan weerstaan. De geleidbaarheid van de koptekst is niet de doorslaggevende factor. Een gestanste pad is geschikt voor een gelijkmatige voeg en redelijk vlakke oppervlakken, omdat het onderdeel al op maat is gemaakt en droog wordt aangebracht. Een gedoseerde voegvuller is een thermisch geleidend, meestal tweecomponentenmateriaal dat op het oppervlak wordt aangebracht en ter plaatse uithardt. Het past zich aan ongelijkmatige voegen en complexe structuren aan, en of het een lagere interfaceweerstand bereikt dan een bepaalde pad hangt af van de kwaliteit, de voegverdeling en de doseer- en uithardingsparameters.
De belasting tijdens de montage is vaak doorslaggevend. Een hard pad dat in een krappe of ongelijkmatige opening wordt geperst, oefent reactiekracht uit op cellen, printplaten of soldeerverbindingen. Deze belasting kan zich uiten in gebarsten verbindingen bij trillingen en temperatuurschommelingen. Een vloeibare vulstof die zich aanpast voordat deze uithardt, verdeelt het contact en kan, afhankelijk van de dosering en uitharding, een lagere piekbelasting veroorzaken. Daarentegen vereist een droog pad geen doseer- of uithardingsstap, wat de verwerking en voorraadbeheer vereenvoudigt. Om een keuze te maken, vergelijk je de kracht die een potentieel pad uitoefent in de meest ongunstige opening met de belasting die je meest kwetsbare component kan weerstaan. Kies in dat geval voor een vloeibare vulstof.
Bij het kiezen van een gestanst thermisch geleidend materiaal (TIM): geleidbaarheid, isolatie, temperatuur en tolerantie.
Bij de keuze voor een gestanst thermisch geleidend materiaal moet je een beperkt aantal variabelen afwegen tegen de eigenschappen van het materiaal, omdat geen enkele kwaliteit op al deze punten tegelijk de beste is. De volgorde waarin ze bepalend zijn voor de keuze van het onderdeel is ongeveer als volgt:
- Spleet en vlakheid: kies een dikte en zachtheid die de daadwerkelijke spleet dichten zonder de omliggende delen te veel samen te drukken.
- Elektrische isolatie: bepaal vooraf of de laag ook een diëlektrische barrière moet zijn, wat uitsluit dat grafiet wel of niet geschikt is.
- Thermische geleidbaarheid: stem deze af op uw warmteflux, en houd er rekening mee dat siliconen met een hogere geleidbaarheid, gevuld met andere materialen, doorgaans steviger zijn. Gepubliceerde waarden variëren afhankelijk van de materiaalsoort, kwaliteit, dikte en testomstandigheden. Raadpleeg daarom het specifieke gegevensblad en controleer de testdruk en -methode voordat u gaat vergelijken.
- Bedrijfstemperatuur en duurzaamheid: controleer of de kwaliteit bestand is tegen het volledige temperatuurschommelingsbereik, niet alleen bij kamertemperatuur.
- Maattolerantie: hiermee wordt de tolerantie van het onderdeel aangehouden die de assemblage en automatisering daadwerkelijk vereisen, zoals hieronder wordt besproken.
De haalbare tolerantie is afhankelijk van het materiaal, de dikte, de geometrie, het snijproces en de converter. Beschouw dit daarom als iets dat u moet controleren voor uw specifieke tekening. Over het algemeen kan laserstansen een nauwere maattolerantie aanhouden dan een stalen stansmal. Dit is belangrijk wanneer een pad in een kleine ruimte moet passen bij pick-and-place; een ruimere tolerantie zorgt voor meer marge bij het plaatsen. Controleer de produceerbare tolerantie met uw converter voor het specifieke materiaal en de geometrie.
Nog een discipline beschermt elke geleidingswaarde die u vergelijkt. ASTM D5470, de standaard testmethode voor de thermische transmissie-eigenschappen loodrecht op het vlak van deze materialen, maakt twee datasheetwaarden überhaupt vergelijkbaar, maar een gedeelde methode is slechts een noodzakelijke voorwaarde. U moet nog steeds controleren of de dikte, testdruk en andere gerapporteerde omstandigheden overeenkomen, omdat waarden van verschillende methoden of verschillende drukken niet direct uitwisselbaar zijn.
Gestanste thermische interface materialen in EV- en ESS-batterijpakketten
In energieopslagsystemen voor elektrische voertuigen en stationaire accu's moet een gestanst thermisch geleidend materiaal vaak twee functies tegelijk vervullen: de warmte van de cellen naar de koelplaat afvoeren en de cellen elektrisch isoleren van het omringende metaal. Een constructie die aan beide eisen voldoet, is een meerlaags gestanst pad – een thermische tussenlaag die is verbonden met een dunne polyimide diëlektrische film – waardoor hetzelfde onderdeel de warmte naar beneden geleidt, terwijl de polyimide metaal-op-metaalcontact voorkomt dat een cel kortsluit. De diëlektrische laag is dun maar sterk, waardoor deze ook bestand is tegen doorsnijden door bramen tijdens de assemblage.
De pad moet samen met de rest van het warmtepad worden ontworpen en niet afzonderlijk worden gekozen. De prestaties ervan zijn afhankelijk van het contact met de koude plaat eronder. Stem de dikte, zachtheid en vlakheid van de pad daarom af op de plaat en de celstapel als één systeem; een waarde uit het datasheet alleen is daarvoor niet voldoende. Omdat een batterijinterface geleiding, isolatie, montagespanning en uithardingsvrije verwerking in dezelfde laag moet balanceren, is het de moeite waard om de pad te beschouwen als een onderdeel van een op elkaar afgestemd geheel. industriële thermische interface-oplossingen en vloeibare koelplaten die hetzelfde thermische pad van cel naar koelvloeistof delen. Vanuit dat systeemperspectief, en meer nog dan te vertrouwen op één enkele geleidbaarheidswaarde, wordt bepaald of de interface standhoudt zodra het accupakket is gebouwd en in gebruik is.
Conclusie
Het kiezen van een thermisch geleidend materiaal op basis van stansvormen is vooral een kwestie van de juiste volgorde bepalen, niet zozeer van het zoeken naar de hoogste waarde. Bepaal eerst de opening, de vlakheid en of de laag ook isolerend moet zijn. Kies vervolgens een type en hardheid die zich aanpast zonder de onderdelen te veel te belasten. Vergelijk pas daarna de geleidbaarheid, met behulp van waarden die op dezelfde manier zijn gemeten. Een veelvoorkomende misvatting is dat een hoge geleidbaarheid geen garantie biedt voor een lage werkelijke interfaceweerstand, omdat een stijvere pad met een hogere vullingsgraad holtes kan achterlaten die een zachtere pad met een lagere vullingsgraad wel zou hebben opgevuld. Voordat een ontwerp wordt vrijgegeven, is het de moeite waard om de volgende controles uit te voeren: de compressiekracht bij de meest ongunstige opening, de isolatiebehoefte over de gehele stapel en of een gedoseerde vulling beter zou passen waar de opening ongelijk is.
FAQ
Heb ik een gestanst tussenstukje of een voorgedoseerd tussenstukje nodig tussen mijn cellen en de koelplaat?
Gebruik een gestanst vulmiddel wanneer de spleet consistent is en de oppervlakken redelijk vlak zijn. Gebruik een gedoseerd vulmiddel wanneer de spleet ongelijkmatig is, of wanneer de constructie de reactiekracht van een vast vulmiddel niet kan verdragen. Het vulmiddel is droog, hoeft niet uit te harden en is gemakkelijk te automatiseren. Het vloeibare vulmiddel past zich aan complexe spleten aan en kan in sommige gevallen een lagere interfaceweerstand bereiken, maar vereist wel doseer- en uithardingsstappen. De doorslaggevende factor is of de compressiekracht van een geschikt vulmiddel bij de meest ongunstige spleet onder de grens blijft die uw cellen en verbindingen kunnen verdragen.
Kan een gestanst thermisch kussen ook fungeren als diëlektrische barrière om kortsluiting te voorkomen?
Ja, als het is opgebouwd met een isolerende laag, zoals een polyimidefilm die in de pad is verlijmd. Een meerlaagse, gestanste constructie kan warmte naar de koude plaat geleiden, terwijl de diëlektrische laag metaal-op-metaalcontact tussen cellen en de omringende structuur voorkomt. Een gewone grafietpad kan dit niet, omdat grafiet elektrisch geleidend is en een aparte isolator nodig zou hebben.
Welke thermische geleidbaarheid heb ik nu eigenlijk nodig voor een interface tussen de batterijcel en de koelvloeistof?
Stem de geleidbaarheid af op uw warmteflux en de spleetbreedte, niet op de hoogst beschikbare waarde, omdat een steviger pad met een hoge geleidbaarheid zich minder goed kan aanpassen en de werkelijke interfaceweerstand kan verhogen. Gepubliceerde waarden variëren sterk afhankelijk van de materiaalsoort, kwaliteit en dikte, dus raadpleeg het specifieke gegevensblad. Controleer of bij vergelijkingen waarden worden gebruikt die met dezelfde methode zijn gemeten, zoals ASTM D5470, en controleer of de dikte en testdruk overeenkomen, want een gedeelde methode alleen maakt twee waarden niet automatisch uitwisselbaar.
Hoe klein mag de tolerantie zijn bij een gestanst thermisch kussen voor geautomatiseerd pick-and-place-systeem?
Laserstansen maakt een nauwere maattolerantie mogelijk dan stansen met een stalen stansmal, waardoor een kleine contactvlak betrouwbaar kan worden uitgelijnd in een geautomatiseerde omgeving. De te specificeren tolerantie is afhankelijk van de plaatsing en de afmetingen van het onderdeel. De haalbare tolerantie hangt af van het materiaal, de dikte en de geometrie, dus overleg hierover met uw leverancier en bespreek de specifieke tolerantie voor het onderdeel in plaats van uit te gaan van een vaste waarde.
Verder lezen
- TIMs: Vier soorten gestanste producten — Technische referentie van de fabrikant. Ondersteunt de type-specifieke indeling van gestanste interfaceproducten (grafiet, thermische pads en folies, thermische tapes en vulmaterialen); beschouw leverancierspecifieke afbeeldingen als voorbeelden ter verificatie.
- Gatvuller versus gaaspad — Technische referentie voor materiaalleveranciers. Ondersteunt de vergelijking tussen voorgesneden pads en gedoseerde voegvullers, inclusief applicatiemethode, automatisering en de toepassingsmogelijkheden van elk formaat.
Gerelateerde artikelen
- Vooruitgang in siliconenvrije thermische interfacematerialen — Legt uit wanneer siliconenvrije interfacematerialen de moeite waard zijn, bijvoorbeeld wanneer gasvorming of siloxaanverontreiniging een standaard siliconenpad uitsluit.
- Zijn thermische pads geleidend? — Het beantwoordt de vraag of een thermische pad elektrisch geleidend of isolerend is, dezelfde diëlektrische vraag die bepalend is voor het gebruik van grafiet in een accupakket.
- Geleidende versus niet-geleidende thermische pasta: een selectiegids — Scheidt de thermische en elektrische geleidbaarheid bij het kiezen van een pasta, een nuttig contrast met de afweging bij gestanste isolatie die hier speelt.
- Gids voor thermische interfacematerialen — Een uitgebreidere inleiding over TIM-typen en selectiefactoren voor lezers die een compleet beeld willen van interface-materialen, voorbij de gestanste formaten.
- Hoe vaak moet je koelpasta vervangen? — Dit verklaart waarom de aangebrachte pasta degradeert en vervangen moet worden, en is een van de redenen waarom een uithardingsvrije, gestanste pad het onderhoud op lange termijn kan vereenvoudigen.
