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Einführung und Grundlagen von Heat Spreadern
Klassifikation und Anwendungen of Heat Spreaders
Heat spreaders können wie folgt klassifiziert werden:
- Metallische Heat Spreader
- Phasenwechselgeräte
- Thermische Transferverbindungen
- Wärmerohre
- Lüfter
- Gehäuse
Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Computerprozessoren, mobile Geräte und Fahrzeugelektronik.
Hohe thermische Leitfähigkeit, niedriger thermischer Widerstand, große Oberfläche, Wärmeableitungskonstruktion und thermische Schnittstellenmaterialien (TIM) sind einige der Eigenschaften von Wärmeverteilern, wie in Abb. 1 gezeigt.
Wärmeverteiler haben die Fähigkeit, Schäden an Komponenten zu verhindern, die Leistung zu verbessern und Wärme von elektronischen Bauteilen abzuleiten. Elektronische Geräte in verschiedenen Anwendungen können von der Verwendung von Wärmeverteilern profitieren, um thermische Probleme zu bewältigen und ihre Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu verbessern.
Wärmeverteiler werden häufig für folgende Zwecke eingesetzt:
- Luftkühlkreisläufe mit integrierten Komponenten wie Mikroprozessoren.
- Substrate für Hochleistungsintegrierte Schaltungen und Laserdioden
- Kühlung von Photovoltaikzellen in konzentrierten Photovoltaiksystemen
- Luft- und Raumfahrtausrüstung sowie Satellitengeräte wie Hochleistungs-Hochfrequenzgeräte
- LED-Beleuchtungssysteme
- Hochleistungs-CPUs und GPUs in Computern und Servern
- Hochleistungs-Laserdioden und Laseroptik
- Leistungselektronische Komponenten
- Elektrofahrzeuge müssen die Batteriesystemtemperatur verwalten.
Diese Anwendungen zeigen die Vielseitigkeit und Bedeutung von Wärmeverteilern in verschiedenen Branchen, in denen eine effektive Wärmeableitung für optimale Geräteleistung und Zuverlässigkeit unerlässlich ist.
Messmethoden und Ausrüstung für Heat Spreader
Die Methoden zur thermischen Messung von TIMs können im Allgemeinen in stationäre und nichtstationäre (transiente) Methoden unterteilt werden.
Die Messung der thermischen Leitfähigkeit kann mittels der Laserblitzmethode und der Heißdrahtmethode erfolgen, die nicht-stationäre Messungen sind, und die Zeitbereichs-Thermoreflektanzmethode (TDTR) sind fortschrittliche TIMs stationäre Messungen.
Stetige und transiente Methoden oder gepulste Laserheizer sind fortschrittliche Techniken zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien, einschließlich Wärmeleitern in Keramiken.
Diese Methoden werden ausführlich erläutert.
LFA (Light/Laser Flash Analyzer), TFA (Thin Film Analyzer), TF-LFA (Thin Film Laser Flash Analyzer), Periodic Laser Heating und TIM-Tester sind alles Messinstrumente, die zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von Materialien, einschließlich Wärmeleitern, verwendet werden.
Diese Instrumente sind darauf ausgelegt, die thermische Diffusivität und Leitfähigkeit verschiedener Materialien zu messen, was für das Verständnis des Wärmetransfers und der thermischen Verwaltung in elektronischen Geräten und anderen Anwendungen entscheidend ist.
1. LFA (Light/Laser Flash Analyzer):
Die LFA (In-Plane-) Methode basiert auf dem Prinzip, eine Seite einer ebenen parallelen Probe mit einem kurzen Energieimpuls (Laser oder Licht) zu erhitzen und den Temperaturanstieg auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Infrarotdetektor zu messen, wie in Abb. 2 dargestellt.
Die thermische Diffusivität wird aus dem zeitabhängigen Temperaturanstieg berechnet, und die thermische Leitfähigkeit wird mit der Formel unter Verwendung der thermischen Diffusivität, der spezifischen Wärmekapazität und der Massendichte bestimmt. Um die Wärmeleitfähigkeit der Probe zu berechnen, werden die thermische Diffusivität, die spezifische Wärmekapazität (Cp) und die Massendichte (ρ) verwendet.
wo λ die Wärmeleitfähigkeit, α die thermische Diffusivität, ρ die Massendichte und Cp die spezifische Wärmekapazität ist.
LFA kann für eine Vielzahl von Materialien verwendet werden und basiert auf nationalen und internationalen Standards wie ASTM E1461, DIN EN 821, DIN 30905, ISO 8301, BS EN 1159-2, ASTM C714, ASTM C518 und mehr.
2. TFA (Dünnschichtanalysator):
3. TF-LFA (Dünnschicht-Laserblitz-Analysator):
PLH (Periodic Laser Heating):
Periodic Laser Heating verwendet hochenergetische, kurzzeitige Laserpulse, um Materialien schnell (in-plane) und selektiv zu erwärmen.
Der Prozess beinhaltet das Ausrichten eines Laserpulses auf die Oberfläche der Probe und die Erzeugung einer hohen Energiedichte am Aufprallpunkt.
Diese Energie wird vom Material absorbiert und führt zu einer schnellen Erwärmung der Oberflächenschicht über ihre Rekristallisationstemperatur für eine bestimmte Dauer, bevor sie abkühlt.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials werden durch die schnelle und intensive Erwärmung durch den gepulsten Laser verändert. Während dieses Prozesses findet eine Atomwanderung im Kristallgitter statt, wodurch die Anzahl der Versetzungen reduziert wird und sich die Härte und Dehnbarkeit des Materials ändern.
Das Material rekrystallisiert durch schnelles Wasserabschrecken oder langsames Luftkühlen, und die Heiz- und Kühlraten beeinflussen die kristalline Phasenzusammensetzung und die Korngröße, was letztendlich die Eigenschaften des Materials bestimmt.
PLH werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Anwendungen von Wärmeleitern. Diese Systeme beinhalten gepulste Laserheizung, um spezifische Materialmodifikationen und Oberflächenbehandlungen zu erreichen.
Die Verwendung von gepulsten Lasern ermöglicht eine präzise Kontrolle über den Heizprozess, was Anwendungen wie die selektive Rekristallisation von Halbleitern, das Schweißen von Metallen, die Einsatzhärtung von Werkzeugstählen und Phasenänderungen in optischen Datenspeichermedien ermöglicht.
Somit spielt PLH eine entscheidende Rolle in verschiedenen industriellen und Forschungsbereichen, indem es präzise und kontrollierte Erwärmung für eine Vielzahl von Anwendungen bietet, einschließlich Anwendungen von Wärmeleitern. Zusätzlich ermöglicht die Möglichkeit, zeitaufgelöste Studien durchzuführen und mit verschiedenen spektroskopischen Techniken zu koppeln, ein besseres Verständnis des Materialverhaltens unter Hochtemperaturbedingungen, was bei der Optimierung der Leistung von Wärmeleitern in verschiedenen Anwendungen hilfreich sein kann.
Diese Techniken ermöglichen zusammen eine präzise Kontrolle über die Temperaturverteilung während der gepulsten Laserheizung für Anwendungen von Wärmeleitern, was effiziente und kontrollierte Heizprozesse gewährleistet, während die Integrität der verarbeiteten Materialien erhalten bleibt.
Einfluss von Füllstoffen auf die Wärmeleitfähigkeit von Heat Spreadern
Der Wärmewiderstand eines Heat Spreaders kann stark von dem verwendeten Füllstoff beeinflusst werden.
Die Wärmeleitfähigkeit eines Heat Spreaders kann durch Zugabe von Füllstoffen zu seinem Grundmaterial verbessert werden, was entscheidend ist für seine Effektivität bei der Wärmeableitung.
Die thermische Leitfähigkeit, thermische Stabilität und mechanischen Eigenschaften des Heat Spreaders werden durch die Auswahl des Füllmaterials beeinflusst.
- Diamant ist einer der effektivsten Füllstoffe zur Steigerung der Wärmeleitfähigkeit, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2000 W/m·K. Die Wärmeleitfähigkeit des Heat Spreaders kann durch seine hochleitenden Eigenschaften signifikant verbessert werden.
- Bornitrid (BN) mit seiner plättchenartigen Morphologie erleichtert die Partikel-Partikel-Wechselwirkungen und erhöht die Wärmeleitfähigkeit. Ein Verbundwerkstoff mit Bornitrid kann die Wärmeleitfähigkeit bei einer Beladung von 15 Volumenprozent fast fünfmal im Vergleich zu einem diamantgefüllten Verbundwerkstoff erhöhen.
- Aluminiumoxid kann die Wärmeleitfähigkeit leicht erhöhen, mit einem Anstieg von 30 W/m·K. Obwohl weniger effizient als Diamant oder Bornitrid, kann es die Wärmeleitfähigkeit des Heat Spreaders dennoch verbessern.
- Siliziumdioxid wird häufig eingesetzt, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verringern, anstatt die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, aufgrund seiner geringen Wirksamkeit bei der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
- Silikonfüllstoffe werden häufig in thermischen Schnittstellenmaterialien (TIM) eingesetzt, um die Wärmeausbreitung und -übertragung über das TIM zu verbessern.
Thermal Interface Materials (TIMs): Arten und Anwendungen
Der Thermal Interface Material Tester, oder TIM-Tester, ist ein Gerät, das die thermische Impedanz von Probenmaterialien misst und deren scheinbare Wärmeleitfähigkeit (in-plane & cross-plane) bestimmt.
Thermische Schnittstellenmaterialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur 0,0263 W/MK machen Luft zu einem der schlechtesten Wärmeleiter überhaupt. Luft-Einschlüsse zwischen Komponenten sollten daher vermieden werden, um eine Wärmeansammlung zu verhindern.
Hier helfen TIM’s, Lücken zu schließen, die durch Unebenheiten, Toleranzen oder Rauheiten verursacht werden, und sicherzustellen, dass keine Lufteinschlüsse auftreten. Die thermischen Zwischenmaterialien sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich, z. B. als:
- Wärmeleitpasten,
- Wärmeleitfähiger Klebstoff,
- Graphit- und Aluminiumfolien,
- Schaum- und GEL-Filme,
- Eins- und doppelseitige Klebe-Wärmeleitfolien,
- Phasenwechselmaterialin (PCM’s),
- Silikonhaltige und silikonfreie Elastomere,
- Kapton- und Glimmerscheiben,
- Aluminiumoxidmaterialien
Gap Filler bzw. Vergussmasse
Paste
Pads
Pads als Stapel bzw. Stack
Der TIM-Tester ist in der Lage, eine Vielzahl von Probengrößen und -formen zu verarbeiten, darunter Feststoffe, Pasten, Pads und mehr. Arbeitet gemäß ASTM D5470, einem Standard, der den Wärmewiderstand und die Leitfähigkeit wärmeleitender Materialien misst.
Welche TIM’s sind am besten für welche Anwendung geeignet?
Nicht jedes Material eignet sich als universelles Material für alle Anwendungen in der Elektronik. Um das perfekte TIM zu finden, müssen Entwickler im Bereich der Materialforschung eine Vielzahl von Materialeigenschaften berücksichtigen, wie z. B. Wärmeleitwiderstand, Wärmeleitfähigkeit, thermische Impedanz, mechanische Toleranzen der Kontaktierung, Temperaturbereich, Umweltverträglichkeit und viele andere.
Welches Material am besten geeignet ist, hängt von der Anwendung ab. Die drei Haupttypen von TIM’s sind wärmeleitfähige Filme, wärmeleitfähige Pasten und wärmeleitfähige Klebstoffe. Diese unterscheiden sich unter anderem in ihrem Einsatz, ihrer Schichtdicke, der elektrischen Isolierung und der Wärmeleitfähigkeit.
Wärmeleitende Pasten
Phasenwechselmaterialien
Phasenwechselmaterialien sind eine Weiterentwicklung herkömmlicher Wärmeleitpasten. Als Plattenmaterial haben diese TIM’s eine kontinuierliche Schichtdicke, was eine saubere direkte Montage auf dem Kühlkörper ermöglicht. Darüber hinaus zeichnen sich PCMs durch ihre Phasenwechseltemperatur aus.
Bei einer Temperatur von 45 bis 55 °C ändert sich die Konsistenz dieser Materialien von fest zu weich. Dadurch fließen sie in alle Zwischenräume zwischen den Komponenten, auf die sie aufgetragen werden. Fällt die Temperatur wieder unter die Phasenwechseltemperatur, kehrt das jeweilige Medium wieder in seinen Ausgangszustand zurück, ohne dass die Verbindung zu den Kontaktpunkten abbricht.
Oberflächenbeschaffenheit und Auswahl eines TIM
Um Wärmeleitpasten oder -klebstoffe verwenden zu können, sollten die Oberflächen in Bezug auf Toleranzen nahezu ideal sein. Wenn dies nicht gewährleistet werden kann oder wenn die Handhabung dieser Materialien zu kompliziert ist, werden in der Regel Filme verwendet.
Dadurch können Luftspalte von bis zu 5 Millimetern ausgeglichen werden. Die thermische Widerstandsfähigkeit dieser TIM’s ist jedoch aufgrund ihrer größeren Festigkeit höher.
Anwendungsbereiche thermischer Schnittstellenmaterialien
Die Vielzahl der in verschiedenen Prozessen hergestellten thermischen Schnittstellenmaterialien zeigt einen Wandel in der besten Konstruktionspraxis auf. Dieser Wandel kommt auch der oft angestrebten Miniaturisierung von Komponenten zugute.
Eine höhere Komponentendichte reduziert das verfügbare Luftvolumen für die Kühlung und verhindert gleichzeitig, dass die verbleibende Luft zirkuliert. Daher wird heute in Systemen, in denen ursprünglich Lüfter zur Zwangsbelüftung verwendet wurden, in der Regel ein lüfterloses Design bevorzugt.
TIM’s im Alltag
Optimierung und industrielle Anwendungen Heat Spreadern
Mit dem TIM-Tester können Heat Spreader gemessen werden, bei denen es sich um Materialien handelt, die die Wärme gleichmäßig über eine Oberfläche verteilen. Der TIM-Tester funktioniert, indem er einen Druck auf eine Probe ausübt, die zwischen einem heißen und einem kalten Messstab platziert ist.
Mithilfe von Temperatursensoren wird der Wärmefluss durch die Probe gemessen. Die thermische Impedanz kann ermittelt werden, indem der durch das Probenmaterial verursachte Temperaturabfall anhand seiner Geometrie berechnet wird. Die Dicke der Probe kann manuell eingegeben oder über einen integrierten LVDT gemessen werden.
Hochpräzise Messungen sind die Grundlage für optimiertes Wärmemanagement
Aufgrund der unzähligen möglichen Anwendungsgebiete und der immensen Materialvielfalt stellen Wärmeleitmaterialien große Herausforderungen für die Materialforschung dar. Die thermische Verwaltung im Bereich der Elektronik ist äußerst komplex und erfordert präzises Wissen über die Materialeigenschaften der angewandten TIMs.
Neben der Messung von Heat Spreadern kann der TIM-Tester auch verwendet werden, um andere thermische Schnittstellenmaterialien zu testen, wie thermische Flüssigkeiten, Wärmeleitpasten (Fette), Phasenwechselmaterialien (PCM), Lote oder robuste Wärmeleiter. Zusammenfassend ist der TIM-Tester ein vielseitiges und unverzichtbares Werkzeug zur Messung der thermischen Eigenschaften von Heat Spreadern und anderen thermischen Schnittstellenmaterialien, die in elektronischen Geräten verwendet werden, die eine Wärmeausbreitung / Abschirmung erfordern.
Die Optimierung von Heat Spreader-Designs in der Elektronik, Luft- und Raumfahrt und anderen Branchen, in denen eine effiziente thermische Verwaltung unerlässlich ist, wird durch diese Methoden in Forschung und Entwicklung ermöglicht. Die Wärmeleitfähigkeit kann von Herstellern genau gemessen werden, um die Wärmeableitungsfähigkeiten zu verbessern, die Produktleistung zu steigern und die Zuverlässigkeit in verschiedenen Anwendungen sicherzustellen.
Mit diesem Wissen ist es möglich, die Zusammenarbeit von Komponenten und Schnittstellenmaterialien zu perfektionieren und eine optimale thermische Verwaltung für komplexe elektronische Anwendungen zu entwickeln.
