THERMISCHES MANAGEMENT
Wärmeleitmaterialien (Thermal Interface Materials, TIMs) spielen eine entscheidende Rolle in jeder Lösung für das Thermomanagement. Trotz ihrer geringen physischen Größe in den meisten Anwendungen wird ihre Bedeutung häufig unterschätzt.
GRUNDLAGEN VON WÄRMELEITMATERIALIEN (TIM)
Wenn ein Chip direkt auf einem Kühlkörper montiert wird, entstehen zwischen den beiden Oberflächen zwangsläufig mikroskopisch kleine Zwischenräume. Da die Luft in diesen Zwischenräumen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 0,026 W/m·K besitzt, wird eine effiziente Wärmeübertragung erheblich eingeschränkt.
Wärmeleitmaterialien (Thermal Interface Materials, TIMs) werden eingesetzt, um diese Zwischenräume auszufüllen. Sie verdrängen die Luft und schaffen einen wesentlich effizienteren Wärmeleitpfad vom Bauteil zum Kühlkörper.
Was ist Wärmeableitung?
Unter Wärmeableitung versteht man den Wärmeübergang von einem wärmeren Objekt auf kühlere Objekte und die Umgebung. Dabei fließt Wärmeenergie stets von einem Körper mit höherer Temperatur zu einem Körper mit niedrigerer Temperatur.
Wärmeableitung vs. Wärmeübertragung
Die Wärmeableitung ist eine spezielle Form der Wärmeübertragung. Während der Begriff Wärmeübertragung die Bewegung von Wärmeenergie zwischen Objekten und ihrer Umgebung beschreibt, betont Wärmeableitung die Abgabe beziehungsweise den Verlust von Wärmeenergie. Jede Wärmeenergie, die nicht sinnvoll genutzt oder übertragen wird, gilt als Verlustenergie.
Wärmeableitung vs. Wärmeverteilung
Sowohl Wärmeableitung als auch Wärmeverteilung befassen sich mit der Bewegung von Wärme, verfolgen jedoch unterschiedliche Ziele. Bei der Wärmeableitung steht die vollständige Abführung überschüssiger Wärme im Vordergrund, während die Wärmeverteilung eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Wärme zum Ziel hat, anstatt sie vollständig abzuleiten.
Wärmeableitung vs. Wärmestrahlung
Wärmestrahlung ist die Abgabe von Wärmeenergie in Form von Infrarotstrahlung, die von Körpern entsprechend ihrer Temperatur emittiert wird. Auch die Wärmeableitung basiert auf diesem physikalischen Prinzip und tritt auf, wenn ein Objekt wärmer ist als seine Umgebung. Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts (−273,15 °C) sendet Wärmestrahlung aus.
WARUM WÄRMELEITMATERIALIEN (TIM)?
Die Wärme fließt vom Leistungsmodul (z. B. Kupfer) zum Kühlkörper (z. B. Aluminium).
Aufgrund der Oberflächenrauheit sind beide Metalloberflächen nicht vollkommen eben.
Die Aufgabe eines TIM besteht darin, Lufteinschlüsse zu verdrängen und gleichzeitig eine effiziente Wärmeübertragung sicherzustellen.
Wenn zwei Oberflächen miteinander in Kontakt kommen, entstehen aufgrund von Rauheit und Unebenheiten mikroskopisch kleine Zwischenräume. Diese Lufteinschlüsse wirken als schlechte Wärmeleiter, behindern den effizienten Wärmetransport zwischen den Oberflächen und verringern dadurch die Gesamtleistung der Wärmeableitung an die Umgebung.
Ein Thermal Interface Material (TIM) ist ein wärmeleitendes Material, das zwischen zwei Komponenten – beispielsweise Halbleiterbauteilen und Kühlkörpern – eingebracht wird. Seine Aufgabe besteht darin, die thermische Kopplung und den Wärmefluss zu verbessern, indem Luftspalte zwischen den Kontaktflächen minimiert oder vollständig ausgefüllt werden.
Anwendungen
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