Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen Oberflächen


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Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen Oberflächen


Den Wärmetransport zwischen Oberflächen und die Wärmeleistung insgesamt steigern

Der Trend in der Elektronikbranche geht immer mehr in Richtung kleinerer, leistungsstärkerer Geräte. Allerdings besteht bei diesen kleinen, leistungsstarken Bauteilen ein höherer Wärmefluss. Daher müssen Techniker Methoden entwickeln, den Wärmewiderstand zwischen den Anschlussstellen des elektronischen Geräts und der Umgebungsluft zu minimieren.

Dieser Wärmewiderstand wird als Rja bezeichnet und wie folgt berechnet:

Rja= Rjc+ Rcs+ Rsa

  • Rja – Wärmewiderstand zwischen den Anschlussstellen des Geräts und der Umgebungsluft oder dem Wasser
  • Rjc – Wärmewiderstand zwischen den Anschlussstellen des Geräts und dem Gehäuse; durch den Hersteller des elektronischen Geräts vorgegeben (der Techniker hat keinen direkten Einfluss)
  • Rcs – Wärmewiderstand zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper oder der Kühlplatte, abhängig von der Größe und Qualität der Kontaktbereiche zwischen dem elektronischen Gerät und dem Kühlkörper oder der Kühlplatte, dem verwendeten Material und dem Kontaktdruck
  • Rsa – Wärmewiderstand zwischen dem Kühlkörperoder der Kühlplatte und der Umgebungsluft oder dem Wasser, abhängig vom Design des Kühlkörpers oder der Kühlplatte (Material und Geometrie)


Daher besteht eine der Möglichkeiten, Rja zu reduzieren darin, Rcs zu reduzieren, den Übergangswiderstand zwischen dem Gehäuse des elektronischen Geräts und dem mittels Umgebungsluft kühlenden Lamellenkühlkörper oder der Kühlplatte mit Flüssigkeitskühlung. Es gibt verschiedene Aspekte, die Einfluss auf Rcs haben, unter anderem die Ebenheit, Rauheit und Reinheit der Oberflächen, der Klemmdruck, die Kontaktkraft und das Wärmeleitmaterial.



Ebenheit und Rauheit der Oberflächen

Die Ebenheit einer Oberfläche bezieht sich auf weiträumige Unregelmäßigkeiten oder die „Welligkeit“ einer Oberfläche. Die Rauheit einer Oberfläche bezieht sich auf die winzigen Bestandteile der Unregelmäßigkeiten einer Oberfläche, die üblicherweise durch maschinelle Bearbeitung, Nutzung und/oder Verschleiß entstehen.

Durch den Kontakt zweier unregelmäßiger Oberflächen entstehen Luftspalten. (Siehe Abbildung 1.) Die meisten Kontaktbereiche bestehen zu über 90 % aus Hohlräumen, die einen enormen Widerstand für den Wärmetransport bedeuten, da Luft kein sehr effektiver Wärmeleiter ist. Tabelle 1 präsentiert typische Werte der Oberflächenrauheit verschiedener Fertigungsprozesse.

Tabelle 1

Prozess

Einheiten in µm

Einheiten in µin

Polieren

0,1 - 0,4

4 - 16

Schleifen

0,1 - 1,6

4 - 64

Laserschneiden

0,8 - 6,3

32 - 252

Druckgießen

0,8 - 1,6

32 - 64

Maschinenelle Bearbeitung

0,8 - 1,6

32 - 64

Strangpressen

0,8 -3,2

32 - 128

Bohren

1,6 - 6,3

64 - 252



Allgemein ist für einen zufriedenstellenden Kontakt zwischen dem elektronischen Gerät und dem Kühlkörper oder der Kühlplatte eine Ebenheit der Montagefläche von 1 Zoll/Zoll erforderlich. Die Oberflächenrauheit sollte der des elektronischen Geräts entsprechen, 32 bis 64 µin gelten üblicherweise als angemessen. Eine höhere Oberflächengüte verursacht unnötige Kosten und steigert die Wärmeleistung kaum oder überhaupt nicht. Die Oberflächenebenheit ist üblicherweise ein wesentlich wichtigerer Aspekt als die Oberfächengüte, um eine effektive Wärmeleitung zu erreichen.




Kontaktkraft

Ein weiterer, sehr wichtiger Aspekt zur Minimierung des Wärmewiderstands zwischen Oberflächen ist die Kontaktkraft, d. h. die Kraft, mit der das elektronische Gerät gegen den Kühlkörper oder die Kühlplatte gedrückt wird. Die Oberflächen des elektronischen Geräts und des Heatsink sind nie komplett eben. Daher gibt es zwischen diesen Oberflächen immer Luftspalten. Allerdings steigt bei einer höheren Kontaktkraft, die die beiden Oberflächen aneinander drückt, ebenfalls die Anzahl der Kontaktpunkte zwischen den beiden Oberflächen. Dies führt zu einem geringeren Wärmewiderstand zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkörper (Rcs). Dieses Verhältnis zwischen Kontaktkraft und Wärmewiderstand folgt keiner linearen Kurve. Bei einer Steigerung der Kontaktkraft nimmt der Wärmewiderstand zwischen den Oberflächen bis zu einem bestimmten Punkt ab, an dem der Wärmewiderstand in geringerem Maße abnimmt und die maximal zulässige Kraft auf das Gehäuse ausgeübt wird. Sie sollten sich an den Hersteller des elektronischen Geräts wenden, um sich über die empfohlene Kontaktkraft zu informieren.




Reinheit der Oberflächen

Die Reinheit der Montagefläche ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt zur Minimierung des Wärmewiderstands zwischen den Oberfächen. Sie müssen sicherstellen, dass Montageflächen frei von externen Materialien wie Schmutz, Öl, Oxiden und Folie sind. Da die meisten Kühlkörper und Kühlplatten nach der maschinellen Bearbeitung gelagert werden, sollte die Reinigung vor der Montage des Geräts erfolgen. Wir empfehlen, die Montagefläche behutsam mit feiner Stahlwolle, z. B. 3M Scotch Brite® No.000, zu polieren und anschließend mit einem Halbleiter-Lösungsmittel abzuwischen.




Wärmeleitmaterial

Schließlich sollte ein geeignetes Wärmeleitmaterial (Thermal Interface Material, TIM) genutzt werden, um die Luftspalten zwischen den beiden Oberflächen zu füllen und so den Rcs weiter zu verbessern. Es gibt eine Vielzahl an Lösungen, unter anderem Wärmeleitpasten, wärmeleitfähige Gemische, Elastomere, Klebebänder, usw. Je nach ihren Merkmalen (hinsichtlich Betriebstemperatur, Benutzerfreundlichkeit, Aushärtungszeit, Druckanforderungen, usw.) sind sie je nach Anwendung besser oder schlechter geeignet. Wir beraten Sie gerne bei der Auswahl eines für Ihre Anwendung geeigneten TIM. Tabelle 2 präsentiert typische Werte des Wärmewiderstands und der Wärmeleitfähigkeit dieser TIM.

Tabelle 2

Wärmeleitmaterial

Dicke (Zoll)

Wärmeleitfähigkeit: k (W/mK)

Rcs(°C/W)

Trockenverbindung

k. A.

k. A.

2,9

Wärmeleitpaste

0

0,7

0,9

Wärmeleitfähiges Gemisch

0,01

1,2

0,8

Elastomer

0,01

5

1,8

Klebeband

0,01

0,7

2,7






Schlussfolgerung: Aspekte zur Minimierung des Wärmewiderstands zwischen Oberflächen

Beim Wärmewiderstand zwischen Oberflächen spielen zahlreiche Aspekte eine wichtige Rolle, unter anderem die Oberflächenebenheit, -rauheit und -reinheit, die Kontaktkraft und das Wärmeleitmaterial. Es sind zahlreiche Technologien und Verfahren erhältlich, um den Wärmepfad von den Anschlussstellen des elektronischen Geräts zum Kühlkörper zu optimieren. Es ist enorm wichtig, den Wärmewiderstand zu minimieren, um die Temperatur des elektronischen Geräts unter der maximal zulässigen Temperatur zu halten und so die Zuverlässigkeit des Endprodukts zu erhöhen.


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