Interfacematerialien /Phase-Change-Materialien

Interfacematerialien /Phase-Change-Materialien

Die Zunahme der Komplexität technischer Geräte, Module oder gar einzelner Bauelemente rücken die Aspekte der Zuverlässigkeit, der Lebensdauer und damit die Kosten für Austausch und Revisionsarbeiten in den Vordergrund. Besonders im Focus steht hierbei natürlich die Leistungsdichte in leistungselektronischen Komponenten welche seit Jahren kontinuierlich ja zunimmt; einen direkten und entscheidenden Einfluss auf die gesamte Lebensdauer von Halbleiterbauelementen nimmt daher mehr denn je die effektive Entwärmung ein, denn der Wärmestrom als Maß für die abgeführte Wärme pro Flächeneinheit ist normalerweise der kritische Wert auf dem Makrolevel und für die Ausfallsicherheit der Applikation verantwortlich.

Genau aus diesem Grund bewerten die Entwickler heute den thermischen Pfad auch wesentlich kritischer als dies noch vor einigen Jahren der Fall war. So erfordert die optimale thermische Anbindung zweier zu verbindender Kontaktflächen natürlich auch immer eine sehr gute Kenntnis zum Interface, denn genau hier muss bei der Anbindung des Bauelements an den Kühlkörper genauestens der wirkliche Bedarf an sogenannten Schnittstellenmaterial ermittelt werden.

Tatsächlich werden hierfür sehr häufig Materialien eingesetzt, die nicht immer der Applikation entsprechen und auch den zunehmenden Anforderungen nicht immer gerecht werden. Sogenannte phasenwechselnde wärmeleitende Interfacematerialien bieten hier die optimale Lösung. Diese auf Dünnfilmbeschichtung basierende Metallsubstratträger eignen sich ideal zur Entwärmung von Leistungshalbleitern in Modulbauform und High-power LEDs.

Von reinen Interfacematerialien spricht man in der Regel immer dann, wenn Substrat-Schichtdicken von weniger als 0,12 bis 0,15 mm zum Einsatz in der Applikation kommen können.

ICT SUEDWERK's wärmeleitende Interfacematerialien - elektrisch nicht isolierend eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen ein stark verringerte Kontaktwiderstand zwischen den Metallflächen des Leistungshalbleiters und dem Kühlkörper gefordert ist.

Durch die Verflüssigung und Ausdehnung sowie den Kapillareffekt werden sogenannte Airgaps / Lufeinschlüsse zwischen den thermisch zu kontaktierenden Interface ausgetrieben bzw. gepresst. Bereits die erste Überschreitung der Phase-Change-Temperatur genügt und es stellt sich eine dauerhafte thermische Kontaktierung ein, welche dann über als auch unter der Phase-Change-Temperatur konstant erhalten bleibt. Durch die vollflächige Benetzung ist die thermische Verbindung gegenüber den herkömmlichen TIM Varianten überlegen und der resultierende thermische Widerstand deutlich geringer. Die unterschiedlichen Phase-Change-Materialien können zudem in mehreren Varianten bestellt werden:

  1. Als Standard-Variante Aluminium-und Kupfersubstratträger in Phase Change Beschichtung
  2. Als mit Graphitpartikeln/Fasern versetzte Phase Change Variante welche elektrisch leitend ist und den thermischen Übergangwiderstand zusätzlich reduziert
  3. Als reinen Phase Change Compoundfilm welcher versetzt ist mit hoch wärmeleitenden Partikeln und somit eine Wärmeleitfähigkeit von bis 3,5 W/m*K ereicht
  4. Als reinen Compound in Cartridge oder Blockformat oder als sogenannter Fill-up Stick (Dispenser)

Wärmeleitende Interfacematerialien sind in Silikon oder in silikonfreiem Format lieferbar. Aufgrund der geringen Schichtdicke dieser Produktgruppe ist eine galvanische Trennung sprich eine elektrische Isolation nicht möglich, weshalb diese Produktkategorie auch als nicht elektrisch isolierend eingestuft wird.

Phasen-Wechsel wie funktioniert dieser Vorgang?

Nähert sich die Temperatur dem definierten Phase-Change Punkt ändert das Material seinen Aggregatszustand und geht vom festen, trockenen in den weichen bis flüssigen Zustand über. Unvermeidbare Oberflächenrauhigkeiten werden ausgeglichen, Lufteinschlüsse aus den Mikroporen der Oberfläche ausgetrieben. Dadurch, dass sich Phase Change Materialien bei steigender Temperatur zudem volumetrisch ausdehnen, wird die Benetzung der Kontaktflächen zusätzlich verbessert. Konvexe und konkave Unebenheiten der Kontaktflächen und Toleranzen lassen sich dadurch sehr gut beherrschen.

Eigenschaften Einheit ICT-Ap60-Series ICT-Ip50- und 60 Serie ICT-PC-Fillup-STICK ICT-Xp45-Serie-
Substratdicke (μm) μm 51 51 - -
Phase-Change-Material - Silicone-free paraffine wax Silicone-free paraffine wax silicone free paraffine compound pure film interface compound
Farbe - Weiß | white Black|Schwarz white and black (Graphite) grau/Grey
Materialdicke mit Beschichtung µm 76 | 100 | 151 76 | 84 | 114 - -
Schichtdicke der Wachsbeschichtung µm 12,50 | 25 | 51 12,50 |16,50 | 31,50 - -
Thermische Leitfähigkeit W/m*K 220,00 220,00 0,47 to 3 3,50
Wärmeübergangswiderstand (inch² / 645,16mm²) K/W 0,03 | 0,052 | 0,060 0,03 | 0,007 0,02 0,07
Phasenwechsel-Temperatur °C 50 | 60 50 | 60°C 51 to 60 45 °C
Betriebstemperatur (von/bis) °C von -40 °C bis 140 °C von -40 °C bis 140 °C von -60 °C bis 140 °C von -40 °C bis 140 °C
Lagertemperatur (max) °C 35 40 18 to max 40 35
Füllstoff - - Graphite particles - -
Entflammbarkeit nach UL UL - -- - -
Material Aufbau - - PCM Interface compound pure film | compound
Sonstiges - - - ICT-FILLup-STICK -
Materialdicke (µ) µm - - - 100 | 200 | 300
Dickentoleranz % - - - 10%
Thermische Leitfähigkeit axial (z-Richtung) ASTM Wm/K - - - 1,67 λeff [W/mK]
Wärmeübergangswiderstand (706,86 mm²) K/W - - - 0,03 ASTM D 5470-12

Einige wichtige hervorzuhebende Eigenschaften:

  • Die thermische Leitfähigkeit aller ICT-Phase-Change-Folien-und reinen Compound Film Typen ist hervorragend, ebenso der thermische Widerstand, welcher bei geeigneter und richtiger Anwendung extrem niedrig werden kann. Institute und nahmhafte Halbleiter-Hersteller bestätigen dies.
  • Im Gegensatz zu Wärmeleitpasten lassen sich ICT-Phase-Change-Materialien berührungstrocken auf die Kontaktflächen von Bauteil und Wärmesenke vormontieren. Schon vor dem ersten Erwärmungsvorgang entsteht ein optimaler Kontakt. Der Einsatz dieser Substratträger beschichteten Phase-Change-Materialien und reinen Phase-Change-Materialien in Filmform garantiert eine hohe Reproduzierbarkeit
  • Alle Phase-Change-Materialtypen lassen sich hervoragend mittels CNC Schneide- und Stanzanlagen in nahezu alle Formformate nach Kundenvorgabe konfektionieren; auch in Rollenform und auf Folienträger (Drop & Place) und in hohen Stückzahlen
  • Kosten können durch das gezielte Aufbringen der Phase-Change-Materialien mittels metallischen Substraträger oder bei reinem Phase-Change-Compound mittels Folienform im Bestückungsprozess eingespart werden
  • Im Falle einer Wartung/Reparatur lassen sich die Phase-Change-Materialien sehr einfach wieder entfernen. Die Kontaktflächen von Bauteil und Wärmesenke kann mittels mineralischen Spirituosen, Lösungsmittel oder Isopropylalkohol und einem weichen Stofftuch (Mikrofasertuch) leicht gereinigt werden.

Weitere Eigenschaften:

  • Hohe thermische Leitfähigkeit >3,5 bis >220 W/m*K (ASTM D 5470) mit Aluminiumsubstratträger
  • Minimierung des thermischen Kontaktwiderstandes durch volumetrische Expansion um ca. 15-20% und aktive Benetzung der Kontaktflächen.
  • Sehr niedriger Wärmeübergangswiderstand 0,03C°/W
  • Silikonhaltige aber auch als silikonfreie feste thermisch leitende Substanz – trocken bei Berührung
  • Kein Aushärten und Ausbluten
  • Keine Austrockung, Migration, Auslaufen oder Auspumpen im Einsatztemparaturbereich
  • Einfache Vormontage
  • Prozesssicher gleichmäßige Dicke
  • Schnelle und praktische Anwendung durch Blockform ähnlichem FILL-UP STICK und Dispenser-ähnlichem Pen
  • Sehr ergiebig (Fill-up Stick)
  • Austauschbarkeit des Materials ohne Oberflächenbehandlung
  • Reinigung durch Isopropyl-Alkohol
  • idealer Ersatz zur Wärmeleitpaste

Ausführungen:

  • Als Sheet/Matte, in Rollenform oder als Compound In Kartuschen, Fill-up Stick (Behälter)
  • Standard-Blattgrößen-Sheets|Standard DIN A4 / 300 mm x 500 mm oder 400 mm x 1000 mm
  • In Zuschnitten und Formen nach Kundenspezifikation
  • Kiss Cut Formteile auch auf Rolle
  • Lose Formstanzteile (Anlieferung auch auf Rolle möglich)

Besondere Lieferformen:

  • Auf Anfrage auch andere Beschichtungsdicken möglich
  • Rollenlängen und -breiten verfügbar nach Kundenanforderung (ab 15 mm Breite)
  • In Rollenform, Abmessungen nach Kundenspezifikation
  • Schnelle, saubere und prozesssichere Vormontage durch partielle Haftstreifen an den Außenbereichen des TIMs, (DROP&PLACE) mit oder ohne partielle Haftliner beide Varianten auf Rolle lieferbar, auch durchgehend einseitig haftend lieferbar
  • In Zuschnitten und Formen nach Kundenspezifikation Rolle / Lose oder auf Träger (Kisscut)

Erklärung Artikelbezeichnung:

Verarbeiter-Anbieter |       Material       |Haftung| Lieferformat         Beispiel:           ICT        |  Ip50-G05-AL2   |      1H    |  Lose /Sheet/Rolle

Thermische Anbindung von:

  • IGBT, CPU, High Power LED /COB, diskrete Halbleiter an Wärmesenke /cooling plates / Kühlkörper
  • Dioden und Gleichrichtern an Kühlkörper
  • Elektronischen Modulen an Kühlkörper
  • Peltier Elemente
  • weitere

zum Beispiel in:

  • Laptops (Heatpipe Anwendungen)
  • Motorsteuerungen bei Automotive
  • Zusatz Aggregate Klimatechnik und Belüftungssyteme (Automotive)
  • Automotive Stromversorgungen
  • Railway Technologie (Converter)
  • High Power LED Beleuchtungsanwendungen Stadien / Straßenbeleuchtung (Leuchtmittel)
  • Weiße Ware (Steuerelemente z.B. für Induktionsheizplatten)
  • Industrierechnern
  • USV-Einrichtungen