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Wissenschaftliche Definition
In elektronischen Geräten ist das Wärmemanagement ein entscheidender Faktor, da die Überhitzung von Komponenten zu Ausfällen führen kann. Ziel ist es also, die von der Elektronik erzeugte Wärme zu einer Kühlvorrichtung, z.B. einem Kühlkörper oder eine Wärmesenke, zu übertragen.
Doch auch der leistungsfähigste Kühlkörper kann die Wärme nicht optimal abführen, wenn die Kontaktflächen den notwendigen Wärmeübergang nicht gewährleisten können. Trotz moderner Fertigungsverfahren verbleibt eine gewisse Oberflächenrauheit, auf der mikroskopisch kleine Lufteinschlüsse auftreten. Thermische Grenzflächenmaterialien, im Englischen Thermal Interface Materials (TIMs) genannt, sollen diese Hohlräume zwischen den Bauteilen ausfüllen, sodass der Wärmeübergang deutlich verbessert wird.
Das bedeutet auch, dass der Übergangswiderstand zwischen dem Wärme erzeugenden Bauteil und der Wärmesenke durch den Einsatz des TIMs gesenkt werden soll.
Thermische Eigenschaften von TIMs
Die Leistung eines TIMs hängt also von seinen thermischen Eigenschaften ab. Die in der Industrie am häufigsten verwendeten und in Datenblättern aufgeführten Werte sind dabei die Wärmeleitfähigkeit und die thermische Impedanz. Die Betrachtung der thermischen Impedanz anstatt nur der Wärmeleitfähigkeit eines TIM hat den Vorteil, dass sie auch die Bedingungen der Anwendung widerspiegelt, da z.B. auch die Dicke des Materials und der Anpressdruck berücksichtigt werden.
Damit verbunden ist der Wärmewiderstand, der die Fähigkeit beschreibt, einem Wärmefluss zu widerstehen. Im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit hängt der Wärmewiderstand von der Dicke des Materials ab. D.h. also bei gleichbleibender Wärmeleitfähigkeit, ist der Wärmewiderstand umso höher, desto dicker das Material ist.
Beim Wärmemanagement und der Wahl eines TIMs muss nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Materials berücksichtigt werden, sondern auch der Kontaktwiderstand zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil, dem TIM und dem Kühlkörper.
Hier kommt die thermische Impedanz ins Spiel: Sie beschreibt die Summe aus Wärmewiderstand und Kontaktwiderstand, d. h. sie ist der Gesamtwiderstand, den eine Baugruppe, d. h. das Material und die Materialgrenzflächen, dem Wärmefluss entgegensetzen.
Ideal sind Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer möglichst geringen thermischen Impedanz.
Zusammengefasste Eigenschaften:
- Wärmeleitfähigkeit
- Dicke des Materials
- Anpressdruck
- Wärmewiderstand
- Kontaktwiderstand
Messverfahren zur thermischen Impedanz
Messungen der thermischen Impedanz werden in der Regel mit einem TIM-Tester durchgeführt, der die Norm ASTM D5470 erfüllt. Dabei wird ein stationäres Verfahren angewandt, bei dem eine Probe zwischen einer beheizten und einer gekühlten Platte eingespannt wird. Der Temperaturgradient über der Probe, der daraus resultierende Wärmestrom und die Testfläche bzw. Fläche der Platte, die die gleiche Größe wie die zu untersuchende Probe hat, werden dann für die Berechnung der thermischen Impedanz verwendet. Die thermische Impedanz misst somit den Wärmewiderstand des Probekörpers plus den thermischen Grenzflächenwiderstand zwischen dem Material und den Prüfoberflächen und wird mit θ bezeichnet und in der Einheit m2∙K/W angegeben.
Da der Kontaktwiderstand je nach Probenoberfläche und Anpressdruck, den die Prüfflächen auf das geprüfte Material ausüben, variiert, wird der Druck vom TIM-Tester aufgezeichnet. Auch die Dicke des Probekörpers wird gemessen.
Mit dem TIM-Tester kann man auch die scheinbare Wärmeleitfähigkeit bestimmen, d.h. die für die Prüfbedingungen spezifische Wärmeleitfähigkeit. Dazu muss man den thermischen Grenzflächenwiderstand ausschließen. Hierfür wird zunächst die thermische Impedanz in Abhängigkeit von verschiedenen Probendicken gemessen und grafisch aufgetragen. Daraus ergibt sich eine Gerade, deren Kehrwert der Steigung die scheinbare Wärmeleitfähigkeit ist und der Achsenabschnitt bei Dicke Null entspricht dem Kontaktwiderstand an den beiden Prüfflächen.
