Wärmeleitpasten, Klebstoffe, Verbindungen und isolierende thermische Schnittstellen – Zweck und Anwendung

Um die Qualität der Wärmeübertragung von einer Oberfläche, die effektiv gekühlt werden muss, zu einem Gerät zur Rückgewinnung dieser Wärme zu verbessern, werden sogenannte thermische Schnittstellen verwendet.

Eine thermische Schnittstelle ist eine Schicht, meist aus einer mehrkomponentigen wärmeleitenden Verbindung, meist einer Paste oder Masse.

Die beliebtesten thermischen Schnittstellen werden heute für mikroelektronische Komponenten in Computern verwendet: für Prozessoren, für Grafikkartenchips usw. Wärmeschnittstellen werden häufig in anderen elektronischen Bereichen eingesetzt, wo auch die Stromkreise einer hohen Erwärmung ausgesetzt sind und daher eine effiziente und hochwertige Kühlung benötigen. Wärmeschnittstellen sind auch in allen Arten von Wärmeversorgungssystemen anwendbar.

Auf die eine oder andere Weise werden verschiedene wärmeleitende Verbindungen bei der Herstellung von Leistungselektronik, Funkelektronik, Computer- und Messgeräten, in Geräten mit Temperatursensoren usw. verwendet, also dort, wo sich normalerweise Komponenten befinden, die durch den Betriebsstrom erhitzt werden oder auf andere Weise. Mit großer Wärmeableitung. Heutzutage gibt es thermische Schnittstellen in folgenden Formen: Paste, Kleber, Verbindung, Metall, Dichtung.

Wärmeübertragungspaste

Wärmeleitpaste oder einfach Wärmeleitpaste ist eine sehr verbreitete Form moderner Wärmeschnittstellen. Es handelt sich um eine mehrkomponentige Kunststoffmischung mit guter Wärmeleitfähigkeit. Wärmeleitpasten werden verwendet, um den thermischen Widerstand zwischen zwei Kontaktflächen, beispielsweise zwischen einem Chip und einem Kühlkörper, zu verringern.

Dank der Wärmeleitpaste wird die Luft mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit zwischen Kühler und gekühlter Oberfläche durch eine Paste mit deutlich höherer Wärmeleitfähigkeit ersetzt.

Die am häufigsten in Russland hergestellten Pasten sind KPT-8 und AlSil-3. Beliebt sind auch Zalman-, Cooler Master- und Steel Frost-Pasten.

Die Hauptanforderungen an die Wärmeleitpaste bestehen darin, dass sie einen möglichst geringen Wärmewiderstand aufweist, ihre Eigenschaften über die Zeit und über den gesamten Arbeitstemperaturbereich hinweg stabil beibehält, sich leicht auftragen und abwaschen lässt und in manchen Fällen sogar Es ist nützlich, dass es geeignete gibt elektrische Isoliereigenschaften.

Die Herstellung von Wärmeleitpasten ist mit der Verwendung bester wärmeleitender Komponenten und Füllstoffe mit ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden.

Mikrodisperse und nanodisperse Pulver und Mischungen auf Basis von Wolfram, Kupfer, Silber, Diamant, Zink und Aluminiumoxid, Aluminium und Bornitrid, Graphit, Graphen usw.

Das Bindemittel in der Zusammensetzung der Paste kann Mineral- oder Synthetiköl, verschiedene Mischungen und Flüssigkeiten mit geringer Flüchtigkeit sein. Es gibt Wärmeleitpasten, deren Bindemittel an der Luft polymerisiert wird.

Es kommt vor, dass zur Erhöhung der Dichte der Paste leicht verdampfbare Komponenten zu ihrer Zusammensetzung hinzugefügt werden, so dass die Paste beim Auftragen flüssig ist und sich dann in eine thermische Schnittstelle mit hoher Dichte und Wärmeleitfähigkeit verwandelt. Wärmeleitfähige Zusammensetzungen dieser Art haben die charakteristische Eigenschaft, nach 5 bis 100 Stunden Normalbetrieb eine maximale Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.

Es gibt Pasten auf Metallbasis, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Solche Pasten bestehen aus reinem Gallium und Indium sowie darauf basierenden Legierungen.

Die besten und teuersten Pasten bestehen aus Silber. Als optimal gelten Pasten auf Basis von Aluminiumoxid. Silber und Aluminium ergeben den niedrigsten Wärmewiderstand des Endprodukts. Pasten auf Keramikbasis sind günstiger, aber auch weniger wirksam.

Die einfachste Wärmeleitpaste kann hergestellt werden, indem man das auf Sandpapier verriebene Minenpulver eines gewöhnlichen Graphitstifts mit ein paar Tropfen mineralischem Schmieröl mischt.

Wie oben erwähnt, wird Wärmeleitpaste häufig als thermische Schnittstelle in elektronischen Geräten verwendet, wo sie benötigt wird, und zwischen einem wärmeerzeugenden Element und einer wärmeableitenden Struktur aufgetragen, beispielsweise zwischen einem Prozessor und einem Kühler.

Beim Einsatz von Wärmeleitpaste ist vor allem darauf zu achten, die Schichtdicke möglichst gering zu halten. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, die Empfehlungen des Pastenherstellers strikt zu befolgen.

Auf die thermische Kontaktfläche der beiden Teile wird etwas Paste aufgetragen und dann einfach zerkrümelt und dabei die beiden Flächen zusammengedrückt. Dadurch füllt die Paste kleinste Vertiefungen auf den Oberflächen und trägt zur Bildung einer homogenen Umgebung für die Wärmeverteilung und -übertragung nach außen bei.

Wärmeleitpaste eignet sich gut zum Kühlen verschiedener Baugruppen und Komponenten der Elektronik, deren Wärmeabgabe je nach Art und Beschaffenheit des Einzelfalls höher ist als für ein bestimmtes Bauteil zulässig. Mikroschaltungen und Transistoren von Schaltnetzteilen, Linearscanner von Bildlampengeräten, Leistungsstufen von Akustikverstärkern usw. Sie sind häufige Orte, an denen Wärmeleitpaste verwendet wird.

Wärmeübertragungskleber

Wenn die Verwendung von Wärmeleitpaste aus irgendeinem Grund nicht möglich ist, beispielsweise weil die Komponenten mit Befestigungselementen nicht fest aneinander gedrückt werden können, greift man auf die Verwendung von Wärmeleitkleber zurück. Der Kühlkörper wird einfach auf den Transistor, Prozessor, Chip usw. geklebt.

Die Verbindung erweist sich als untrennbar und erfordert daher eine äußerst präzise Vorgehensweise und die Einhaltung der Technik für eine korrekte und qualitativ hochwertige Verklebung. Bei einem Verstoß gegen die Technologie kann die Dicke der Wärmeschnittstelle sehr groß ausfallen und die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung verschlechtert sich.

Wärmeleitende Vergussmassen

Wenn neben hoher Wärmeleitfähigkeit auch Hermetik, elektrische und mechanische Festigkeit erforderlich sind, werden die gekühlten Module einfach mit einer polymerisierbaren Mischung gefüllt, die die Wärme von der beheizten Komponente auf das Gerätegehäuse übertragen soll.

Wenn das gekühlte Modul viel Wärme abführen muss, muss die Verbindung auch eine ausreichende Beständigkeit gegen Erwärmung und Temperaturwechsel aufweisen und der thermischen Belastung durch den Temperaturgradienten im Inneren des Moduls standhalten können.

Niedrig schmelzende Metalle

Wärmeschnittstellen erfreuen sich immer größerer Beliebtheit und basieren auf der Verlötung zweier Oberflächen mit einem niedrig schmelzenden Metall. Bei richtiger Anwendung der Technologie ist es möglich, eine rekordverdächtige Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, die Methode ist jedoch komplex und weist viele Einschränkungen auf.

Zunächst ist es notwendig, die Passflächen qualitativ für den Einbau vorzubereiten, je nach Material kann dies eine schwierige Aufgabe sein.

In High-Tech-Industrien ist das Löten beliebiger Metalle möglich, auch wenn einige von ihnen eine spezielle Oberflächenvorbereitung erfordern. Im Alltag werden nur gut verzinnbare Metalle qualitativ verbunden: Kupfer, Silber, Gold usw.

Keramik, Aluminium und Polymere eignen sich überhaupt nicht zum Verzinnen, bei ihnen ist die Situation komplizierter, hier wird eine galvanische Trennung der Teile nicht möglich sein.

Bevor mit dem Löten begonnen wird, müssen die künftig zu verbindenden Flächen von jeglichem Schmutz befreit werden. Es ist wichtig, dies effektiv zu tun und es von Korrosionsspuren zu reinigen, da Flussmittel bei niedrigen Temperaturen im Allgemeinen nicht helfen.

Die Reinigung erfolgt in der Regel mechanisch mit Alkohol, Ether oder Aceton. Aus diesem Grund liegen der Wärmeschnittstellenverpackung manchmal ein hartes Tuch und ein Alkoholtupfer bei.Die Arbeiten müssen mit Handschuhen durchgeführt werden, da das aus den Händen austretende Fett die Qualität der Lötung mit Sicherheit beeinträchtigt.

Das Löten selbst muss unter Erwärmung und unter Einhaltung der vom Hersteller angegebenen Festigkeit erfolgen. Einige der industriellen thermischen Schnittstellen erfordern ein obligatorisches Vorheizen der angeschlossenen Teile auf 60–90 °C, was für einige empfindliche elektronische Komponenten gefährlich sein kann. Das anfängliche Erhitzen erfolgt in der Regel mit einem Fön, anschließend wird das Löten durch Selbsterwärmung des Arbeitsgeräts abgeschlossen.

Derartige Wärmeschnittstellen werden in Form von Glory-Folien mit einem Schmelzpunkt knapp über Raumtemperatur sowie in Form von Pasten verkauft. Beispielsweise hat die Fields-Legierung in Form einer Folie einen Schmelzpunkt von 50 °C. Galinstan in Form einer Paste schmilzt bei Raumtemperatur. Im Gegensatz zu Folien sind Pasten schwieriger zu verwenden, da sie sehr gut in die zu lötenden Oberflächen eingebettet werden müssen, während Folien bei der Montage nur eine ausreichende Erwärmung erfordern.

Isolierdichtungen

In der Leistungselektronik ist häufig eine galvanische Trennung zwischen Wärmeübertragungs- und Kühlkörperelementen erforderlich. Wenn daher Wärmeleitpaste nicht geeignet ist, werden Silikon-, Glimmer- oder Keramiksubstrate verwendet.

Flexible Softpads bestehen aus Silikon, harte Pads aus Keramik. Es gibt Leiterplatten, die auf einem Kupfer- oder Aluminiumblech basieren, das mit einer dünnen Keramikschicht bedeckt ist, auf der Spuren von Kupferfolie aufgebracht sind.

In der Regel handelt es sich dabei um einseitige Bretter, auf deren einer Seite sich die Schiene befindet und auf der anderen Seite eine Fläche zur Befestigung am Heizkörper vorhanden ist.

Darüber hinaus werden in Sonderfällen Leistungsbauteile hergestellt, bei denen der am Kühler befestigte Metallteil des Gehäuses sofort mit einer Epoxidschicht überzogen wird.

Merkmale der Verwendung thermischer Schnittstellen

Beim Anbringen und Entfernen der Wärmeschnittstelle müssen unbedingt die Empfehlungen des Herstellers sowie des Herstellers des gekühlten (Kühl-)Geräts befolgt werden. Bei der Arbeit mit elektrisch leitenden thermischen Schnittstellen ist besondere Vorsicht geboten, da überschüssiges Material in andere Stromkreise gelangen und einen Kurzschluss verursachen kann.