TIMs erklärt: Wärmeleitfette, Wärmeleitpads und phasenwechselnde Materialien

Warum können zwei Oberflächen, die makellos eben erscheinen, dennoch eine gravierende thermische Engstelle verursachen? Bei der Kühlung elektronischer Komponenten liegt die Antwort oft in den winzigen Lücken zwischen ihnen – und im Material, das diese Lücken ausfüllt.

Was ist ein thermisches Schnittstellenmaterial?

Ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) wird in der IC-Verpackung und beim thermischen Management von Elektronik eingesetzt, um Mikrolücken und Oberflächentäler an der Berührungsstelle zweier Materialien zu füllen. Durch das Ausfüllen dieser Lücken verringert ein TIM den thermischen Kontaktwiderstand und unterstützt das Gerät dabei, Wärme effektiver abzuführen.</p>

Warum TIMs wichtig sind: Das 10-%-Kontaktproblem

Mikroelektronische Materialien und Kühlkörperoberflächen sind auf mikroskopischer Ebene niemals vollkommen eben. Bei direkter Montage kann die tatsächliche Kontaktfläche nur etwa 10 % der Grundfläche des Kühlkörpers betragen. Der Rest wird durch Luftsprengungen eingenommen.</p>

Dies ist ein gravierendes Problem, da Luft eine Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 0,024 W/(m·K) aufweist. Diese Luftpakte erzeugen einen hohen thermischen Kontaktwiderstand und verhindern, dass der Kühlkörper seine Aufgabe erfüllt.

Ein Wärmeleitmaterial mit hoher Leitfähigkeit füllt die Spalte aus, verdrängt die Luft und erzeugt einen effektiven thermischen Pfad zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper. Mit anderen Worten: Der Kühlkörper mag hervorragend sein – doch die Schnittstelle kann immer noch entscheiden, ob er funktioniert.

Was macht ein ideales TIM aus?

Eine ideale TIM sollte bieten:

• Hohe Wärmeleitfähigkeit
• Hohe Konformität/Flexibilität, sodass es Lücken unter niedrigem Montagedruck ausfüllt und den Kontaktwiderstand niedrig hält
• Elektrische Isolierung
• Einfache Installation und Entfernung
• Weite Anwendbarkeit, sowohl kleine als auch große Lücken abdeckend

Diese Checkliste ist ein nützliches Bewertungsgerüst beim Vergleich echter Materialien.

Drei gängige TIMs und wann sie einzusetzen sind

• 1. Wärmeleitpaste

Wärmeleitpaste besteht typischerweise aus Silikonöl als Grundmaterial mit hitzebeständigen, wärmeleitfähigen Füllstoffen.

Vorteile: Geringe Kosten und äußerst verbreitet.

Nachteile: Schwierig anzuwenden, Silikonöl kann austreten und es kann im Laufe der Zeit austrocknen. Im Allgemeinen wird es nicht für Produkte mit langer Lebensdauer empfohlen.

• 2. Thermische Silikon-Pads

Thermische Silikon-Pads verwenden Silikon als Grundstoff, enthalten Zusatzstoffe wie Metalloxide und werden durch spezielle Verfahren hergestellt. Sie werden auch als Gap-Pads, Silikonfolien oder weiche thermische Pads bezeichnet.

Sie füllen Lücken und leiten Wärme zwischen wärmeerzeugenden und wärmeabführenden Komponenten ab und sorgen gleichzeitig für Isolierung, Schwingungsdämpfung und Abdichtung.</p>

Sie unterstützen miniaturisierte und ultradünne Designs und sind in einer breiten Dickepalette erhältlich.

Vorteile: Guter Temperaturbereich und Stabilität, Überbrückung von Prozesslücken, elektrische Isolierung, Schwingungs- und Geräuschdämpfung sowie einfache Montage, Prüfung und Wiederverwendung.

• 3. Phasenwechselmaterialien

Phasenwechselmaterialien (PCM) ändern ihre Phase mit der Temperatur und liefern latente Wärme. Der Feststoff-Feststoff-Phasenwechsel kann eine bestimmte Wärmemenge aufnehmen und hohe Wärmeflussstöße abpuffern – wie das Hinzufügen eines „Speichers“ zum thermischen Pfad.

Kommerzielle Phasenwechseltemperaturen liegen bei etwa 45–50 °C. Sie werden hauptsächlich für CPUs und andere Wärmequellen mit vorübergehend hoher Wärmeflussdichte eingesetzt, insbesondere zum Schutz beim Hochfahren oder Neustart. Achten Sie auf ihre Wärmekapazität und ihren Widerstand gegen Wärmeübergang; einige Produkte können so dünn wie 0,125 mm sein.

Hinweise: Sie können schwierig zu lagern und zu installieren sein, das Auslaufen von Silikonöl kann die Lichtausbeute von Beleuchtungsgeräten beeinträchtigen, und die Zuverlässigkeit ist nur mittelmäßig. Bei langfristigem Einsatz bei hohen Temperaturen kann die Leistung innerhalb von etwa zwei Jahren um rund 40 % bis 70 % abfallen. Sie eignen sich besser für Unterhaltungselektronik, Laptops und Spielekonsolen.

Fazit

Thermische Schnittstellenmaterialien beeinflussen unmittelbar die Qualität der thermischen Schnittstelle. Thermische Wärmeleitpaste ist kostengünstig und weit verbreitet, bietet jedoch bei langfristiger Zuverlässigkeit nur geringe Leistung; Lückenpolster bieten Isolierung, Dämpfung und die Möglichkeit einer Nachbearbeitung; Phasenwechselmaterialien helfen dabei, kurzzeitige thermische Stöße abzufangen, weisen jedoch Einschränkungen hinsichtlich Lagerung, Ausbluten und Langzeitzuverlässigkeit auf. Wählen Sie das thermische Schnittstellenmaterial anhand der Lückengröße, des Montagedrucks, der Isolierungsanforderungen, der Anforderungen an eine Nachbearbeitung sowie der Betriebsdauer – und nicht allein anhand der Wärmeleitfähigkeit.