Technische Artikel

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EFFIZIENTES WÄRMEMANAGEMENT

EN FR Schlagwörter: Wärmeleitprodukte, Kunstharze

Einige elektronische Bauelemente können während ihres Betriebs in erheblichem Umfang Wärme erzeugen. Wird diese Wärme nicht wirkungsvoll von dem Bauelement und dem Gerät abgeführt, kann dies zu einer Einschränkung der Zuverlässigkeit und der Betriebslebensdauer führen.

Die von Newton beschriebenen Gesetzmäßigkeiten bei der Abkühlung von Körpern oder Stoffen besagen, dass sich die Geschwindigkeit der Abkühlung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umgebung verhält. Wenn die Temperatur des Bauelements also steigt und ihre Gleichgewichtstemperatur erreicht, entspricht die Geschwindigkeit der Abkühlung pro Sekunde, der Wärme, die pro Sekunde in dem Bauelement erzeugt wird. Diese Temperatur kann so hoch sein, dass sie die Betriebslebensdauer des Bauelements erheblich verkürzt oder sogar ein Versagen des Geräts verursacht. In solchen Fällen müssen Maßnahmen zum Wärmemanagement ergriffen werden. Die gleichen Überlegungen können auf komplette Wärmekreisläufe oder Geräte angewendet werden, die wärmeerzeugende Einzelkomponenten enthalten.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit wird bei einem künstlich erzeugten Luftzug höher sein, als bei stehender Luft. Eine Möglichkeit zur Regelung der Temperatur eines Bauteils bzw. eines Geräts besteht also in der Integration eines oder mehrerer Lüfter, um die Luftströmung zu erhöhen. Schon die Gewährleistung einer allgemeinen geeigneten Lüftung führt zu einer niedrigeren Betriebstemperatur, als wenn sich der Wärmekreislauf in einem geschlossenen Raum ohne Lüftungsschlitze nach außen hin befinden würde. Ein Punkt, der außer Acht gelassen werden kann, ist die Tatsache, dass eine reduzierte atmosphärische Dichte in großen Höhen zu einer weniger effizienten Wärmeübertragung an die Umgebung und somit zu höheren Betriebstemperaturen des Gerätes führt.

Die Wärmeabgabe eines Bauteils an seine Umgebung erfolgt von der Oberfläche des Bauteils aus. Die Abkühlungsgeschwindigkeit steigt mit der Oberflächengröße des Bauelements – ein kleines Bauteil, das 10 Watt produziert, wird eine höhere Temperatur erreichen, als ein ähnliches Bauteil mit einer größeren Oberfläche. Hier kommen Kühlkörper zum Einsatz – variierend in Größe und Form, können sie so konstruiert werden, dass sie eine deutlich höhere Oberfläche bieten, um so eine maximale Wärmeableitung zu erreichen. Das Bauteil und der Kühlkörper sind in der Regel feste Substrate, die mechanisch miteinander verschraubt werden. Idealerweise sollten die Flächen dieser Substrate vollkommen glatt sein, was jedoch für gewöhnlich nicht umsetzbar ist. Infolgedessen gibt es an dem Übergang zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper Luftspalte, welche die Effizienz der Wärmeabfuhr erheblich beschränken.

Um die Luftspalte aus der Schnittstelle zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper zu eliminieren, werden Wärmeleitpasten verwendet. Solche Pasten sollen den Spalt zwischen beiden verfüllen und auf diese Weise den Wärmedurchgangswiderstand an der Grenzfläche zwischen den gegenüberstehenden Flächen verringern. Dies führt zu einer schnelleren Wärmeabgabe an den Kühlkörper und zu einer niedrigeren Betriebstemperatur des Geräts. Es sind aushärtende und nicht aushärtende Produkte erhältlich. Aushärtende Produkte werden oft auch als Wärmeleitkleber verwendet, Beispiele hierfür sind RTVs auf Silikonbasis oder Epoxidmassen – die Auswahl hängt dabei oft von der erforderlichen Klebkraft und dem Betriebstemperaturbereich ab.

Heat transfer compound with heat sink

Wärmeleitmaterialien gibt es in Form von Pasten, haftenden Materialien/Klebern oder thermisch leitenden Pads. Nicht aushärtende Pasten sind optimal für Anwendungen geeignet, bei denen eine Nachbearbeitung erforderlich sein kann. Sie verwenden unterschiedliche Grundöle, um so eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften einzustellen, wie z. B. den weiten Betriebstemperaturbereich, der durch Produkte auf Silikonbasis geboten wird. Jüngste Fortschritte in silikonfreien Technologien umfassten die Einführung von Produkten mit erheblich niedrigerem Gewichtsverlust durch Ölbluten und Gewichtsverlust durch Verdampfung bei gleichzeitiger Erhöhung der Wärmeleiteigenschaften. Ein solches Produkt ist beispielsweise HTCX von Electrolube, welches firmeneigene Zusatzstoffe verwendet, um die interne Bindung der thermisch leitfähigen Partikel in der Paste deutlich zu verbessern und so insgesamt zu einer Leistungsverbesserung zu führen.

Bei thermisch leitfähigem Material ist es äußerst wichtig, die Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper vollständig auszufüllen und sämtliche Luft vollständig zu verdrängen. Dies erfolgt in der Regel durch das Auftragen einer Schicht des Verbundstoffes in der Mitte der Kontaktfläche des Geräts bzw. des Wärmeableiters, die anschließend zusammengebracht werden, wobei sämtliches überschüssiges Material verdrängt wird. Das Ausschließen der gesamten Luft aus der Verbindungsstelle führt zu einem geringeren thermischen Widerstand und einer niedrigeren Betriebstemperatur des Geräts. Die thermisch leitfähige Wärmeleitpaste weist eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Wärmeableiters auf. Die aufgetragene Schicht an der Schnittstelle muss also so dünn wie möglich sein, um den thermischen Widerstand so gering wie möglich zu halten und die Betriebstemperatur zu senken. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass durch eine zu dünne Schichtdicke keine Luftspalte in dem Film entstehen.

Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Wärmeabgabe von Geräten besteht in der Verwendung von wärmeleitfähigem Gießharz. Diese Produkte schützen das Gerät vor Umwelteinflüssen, während die im Gerät erzeugte Wärme an die Umgebung abgeleitet werden kann. Gießharze beinhalten auch wärmeleitfähige Füllstoffe. Wie auch immer, Basisharz, Härter und andere Zusatzstoffe können modifiziert werden, um eine Vielzahl von Produkteigenschaften zu realisieren:

HTCPX with follow plate in use
  • Systeme auf Epoxidharz-Basis bieten ein hohes Maß an Schutz in rauen Umgebungsbedingungen und härten zu einem harten, starren Produkt aus. Ein wärmeleitfähiges Epoxidharz verfügt typischerweise über eine Shorehärte von etwa D80. Achten Sie auf das neue Epoxidharz ER2220 von Electrolube – es bietet einen verbesserten spezifischen Wärmeleitfähigkeitswert von 1,54 W/mK, ohne die Viskosität zu erhöhen.
  • Systeme auf Polyurethan-Basis bieten ebenso einen ausgezeichneten Schutz in einer Vielzahl schwieriger Bedingungen. Sie kombinieren jedoch auch die Flexibilität, die von Polyurethan-Materialien erreicht werden kann und infolgedessen können ihre Shorehärte-Werte angepasst werden, um den erforderlichen Anwendungseigenschaften zu entsprechen. Typischerweise verfügt ein wärmeleitfähiges Polyurethan über eine Shorehärte von etwa A85 und bewegt sich damit im weicheren Bereich auf der Shorehärte-Skala.
  • Systeme auf Silikonbasis kombinieren die Flexibilität von Polyurethan mit den Hochtemperatureigenschaften eines Silikonmaterials, wodurch sie optimal für die Verwendung in Anwendungen geeignet sind, bei denen die Betriebstemperaturen 130 °C übersteigen können.

Aufgrund der wachsenden Zahl von Anwendungen, für die Wärmemanagement-Produkte benötigt werden, entwickelt Electrolube weiterhin Lösungen für unterschiedliche Branchen, einschließlich den LED-Markt. LEDs ersetzen die traditionelleren Beleuchtungsmethoden in Anwendungen, wie Hintergrundbeleuchtungen von LCD-Fernsehern, elektronischen Anzeigen und Fahrzeugbeleuchtung. Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, muss die Wärme der LEDs, wie bei einer CPU auch, abgeleitet werden.

Produkte zum Wärmemanagement bieten zudem Lösungen für eine erhöhte Effizienz in der Entwicklung grüner Energie – Photovoltaik-Wechselrichter, die bekanntermaßen besonders temperaturempfindlich sind, Verbindungen zwischen dem Wärmerohr und dem Wasserspeichertank für Solar-Heizungsanlagen, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Windkraftanlagen, um nur einige Beispiele zu nennen. Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung von Produkten führte – gepaart mit der wachsenden Zahl modernerer und leistungsstärkerer Geräte – dazu, dass ein effizientes Wärmemanagement einen wesentlichen Bestandteil des modernen und zukünftigen Elektronikdesigns bildet. Für die Entwicklung optimaler Produkte arbeitet Electrolube eng mit seinen Kunden zusammen und bietet Wärmemanagement-Lösungen überall dort, wo eine Wärmeableitung erforderlich ist und wird sein Angebot verfügbarer Optionen weiter vergrößern.

Jade Bridges
Spezialistin europaweiter technischer Support