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Was ist der thermische Kontaktwiderstand?
Der thermische Kontaktwiderstand kennzeichnet die Übertragung der Wärme an der Grenzfläche zwischen zwei Festkörpern.
Aufgrund der Herstellungs- und Bearbeitungsprozesse, aber auch dessen intrinsischen Materialeigenschaft sind Rauheiten an der Oberfläche unvermeidlich. Infolgedessen ist nicht die gesamte Fläche der beiden Festkörper in direkten Kontakt, sondern nur ein Bruchteil und dementsprechend nicht am Wärmetransport beteiligt.
Die entstehenden Hohlräume zwischen den Festkörpern sind üblicherweise mit Luft, einem schlechten Wärmeleiter, gefüllt. [1,2] Ein Temperatursprung an der Grenzfläche ist die Folge.
Für den spezifischen thermischen Kontaktwiderstand gilt:[1]
Dessen Kehrwert wird auch als thermischer Kontaktkoeffizient bezeichnet. Der Quotient aus spezifischen thermischen Kontaktwiderstand rk und der makroskopischen Kontaktfläche A wird als thermischer Kontaktwiderstand bezeichnet:
Die Einheit des thermischen Kontaktwiderstandes ist (K/W).
Durch was kann der thermische Kontaktwiderstand beeinflusst werden?
- Oberflächenrauigkeit der Festkörper
- Anpressdruck auf die Kontaktfläche zwischen den zwei Festkörpern
- Füllen der Hohlräume zwischen den Kontaktflächen durch besser wärmleitende Materialien, wie zum Beispiel:
- Gele, Pasten, Phase-Change Materialien, Folien, Klebestoffe, thermische Interfacematerialien etc.
- Im Allgemeinen bestimmt die Kombination der beiden Festkörper den thermischen Kontaktwiderstand
Thermischer Widerstand der Materialien 1,2 bzw. der Luft in K/W
Wie messe ich den thermischen Kontaktwiderstand?
Der thermische Kontaktwiderstand kann zum Beispiel mit Hilfe eines „Thermal Interface Material Tester“ (TIM-Tester) ermittelt werden. Misst man mit einem TIM-Tester die thermische Impedanz eines Materials für verschiedene Dicken in dem ein Wärmestrom durch die Probe hindurch angelegt wird.
Aus den Messpunkten kann mittels linearer Regression eine steigende Gerade und aus deren Steigung die Wärmeleitfähigkeit ermittelt werden. Der Achsenabschnitt der Geraden entspricht dem thermischen Kontaktwiderstand zwischen dem Material und dem Messblock. Der Messblock kann beispielsweise aus Messing oder einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung hergestellt sein.
Ein Beispiel für eine solche Messung ist in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Messung der thermischen Impedanz von einer VespelTM-Probe mit einer Größe von 25 mm x 25 mm und einem angelegten Kontaktdruck von 1 MPa.
Im Beispiel wurden Proben mit einer Dicke zwischen 1,1 mm und 3,08 mm vermessen.
Literatur:
[1] Griesinger, Andreas. Wärmemanagement in der Elektronik, Springer Berlin Heidelberg, 2019.
[2] Incropera, DeWitt, Bergmann, Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer.pdf“, John Wiley & Sons, 2017.
