Mind the gap! Thermische oplossingen met vulmaterialen

Bij normaal bedrijf genereren de meeste elektronische componenten warmte als gevolg van rendementsverlies. Dit is onvermijdelijk en eigenlijk heel normaal. Mits onder een redelijke waarde gehouden heeft de temperatuur weinig effect op het gedrag of de levensduur van een onderdeel of elektronisch circuit. In het geval dat een component periodiek of continu buiten het gespecificeerde temperatuurgebied werkt kan dit resulteren in een dramatische verkorting van de levensduur. Ook kan er een acuut of latent defect ontstaan.

Goed thermisch ontwerp is in de afgelopen jaren uitgegroeid tot een hot topic, gekenmerkt door steeds kleinere afmetingen van het apparaat en de toenemende druk op de ontwikkelaars. De industrie moet voortdurend meer functionaliteit in steeds kleinere afmetingen realiseren. De trend naar meer mobiliteit en slanke designs legt de lat steeds hoger voor creatieve en innovatieve thermische design-oplossingen. Dit artikel laat zien welke oplossingen er op de markt zijn en welke aspecten meespelen om een juiste keuze te maken.

Gapfiller (foto’s: Thal Technologies)

Welke soorten gapfiller zijn er op de markt?

Gapfiller-materiaal kan worden onderverdeeld in drie categorieën: rubber mat, cure in place en gel-achtige materialen. Ze zijn veelal gebaseerd op silicone als grondstof. Silicone wordt gebruikt vanwege zijn zachtheid, een primaire eis van elk thermisch efficiënt gapfiller-materiaal, en het breed temperatuurgebied (gewoonlijk -50 tot 200 °C). In de beginjaren van silicone gapfiller-toepassingen was verontreiniging van omgevende componenten en soldeervlakken door siliconenolie, veroorzaakt door migratie van siliconemateriaal, een probleem. De huidige materiaalsamenstellingen zijn sterk verbeterd en hebben dit fenomeen onder controle waardoor het probleem vrijwel niet meer voorkomt. Er bestaan ook siliconevrije materialen voor specifieke toepassingen. Deze zijn echter vaak harder dan silicone en het temperatuurgebied is ook beperkter.

De thermische geleidbaarheid van op siliconen gebaseerde gapfiller wordt verkregen door verbinding van het elastomeer met geleidende vulstoffen. Veel toegepaste stoffen zijn boriumnitride, aluminiumoxide, maar ook andere vulstoffen. In principe, hoe meer en hoe beter het vulmiddel, hoe beter de warmtegeleiding. Echter, een te hoog percentage vulmiddel veroorzaakt een verslechtering van andere materiaaleigenschappen zoals zachtheid.

Gapfiller in dun plaatmateriaal heeft vaak een ingebed versterkingsmateriaal. Dit is nodig om de achilleshiel van siliconen elastomeren, de gevoeligheid voor afschuifkrachten, te vermijden. Het meest gebruikte materiaal voor versterking is een fijn gevlochten glasvezel mat. Het vlechtwerk geeft het materiaal een goede sterkte in de X- en Y-richting zonder dat de thermische geleidbaarheid hierdoor sterk wordt beïnvloed.

Glasvezelversterkte gapfiller in plaatvorm is algemeen beschikbaar in verschillende dikten tussen 0,5 en 5,0 mm. Vanuit economisch oogpunt is het belangrijk de kleinst mogelijke dikte voor een bepaalde toepassing te kiezen om kosten te besparen. Een dunne gapfiller geeft ook de beste thermische verbinding. Voor prototype-aantallen en eenvoudige vormen, kan het zinvol zijn het materiaal in grote matten te kopen en handmatig op maat te snijden in de gewenste grootte. Voor kleine series kan het gesneden worden met een plotter en bij massaproductie kan een relatief goedkoop gereedschap worden ontwikkeld om de onderdelen te converteren om zo in passende gebruiksafmetingen en aantallen te leveren.

Gapfillers zijn ook in vloeibare vorm te koop, dit kan worden uitgevoerd als 1-component- en 2-componentenmateriaal om met een automatische dispenser aan te brengen. Ze harden uit kort nadat ze zijn aangebracht, vandaar de naam cure-in-place. Deze oplossing wordt vaker toegepast in hogere volumes. De dispenser kan snel verouderen door de abrasieve eigenschappen van de keramische vulstoffen en vraagt speciale oplossingen. De beperkte houdbaarheid van de materialen in vloeibare vorm vraagt om een goede afstemming tussen verbruik en leveringen om te voorkomen dat er materiaal dat over datum is moet worden weggegooid.

Gel-achtige gapfiller hardt niet uit, wordt ook wel putty-materiaal genoemd en bestaat ook uit een basis van hoog viskeus silicone en geleidende vulstoffen. Het verschilt van plaatmateriaal want het kan worden aangebracht met een injectiespuit of een automatische doseerinrichting. Ook kan putty door een zeefdrukwerkwijze op de oppervlakken worden aangebracht. Deze materialen zijn gemakkelijk te gebruiken, dit in tegenstelling tot veel andere gedoseerde stoffen. Er is geen nabehandeling voor het uitharden nodig en ook bestaan ze ​​uit slechts één component, niet twee afzonderlijke componenten. Het thixotrope gedrag van het materiaal zorgt dat de putty gapfiller niet migreert of uitvloeit in de applicatie.

Gapfiller-materialen hebben verschillende thermische eigenschappen. De warmtegeleiding ligt voor veel toepassingen tussen 1 W/mK en 6 W/mK. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de thermische geleiding is, hoe hoger de kosten zijn. Dit wordt voornamelijk bepaald door de hoge kwaliteit silicone en door de exotische vulstoffen in deze high-performance materialen.

Putty en plaatmateriaal kunnen beide zorgen voor een elektrische isolatie tussen de desbetreffende oppervlakken. Indien echter een gewaarborgde elektrische isolatie is vereist voor een applicatie dan wordt ook gekozen voor een steviger foliemateriaal met glasvezelversterking. In sommige gevallen wordt dit foliemateriaal gecombineerd met het gapfiller-materiaal. De folie waarborgt minimale afstand tussen de twee oppervlakken, waardoor het risico van metaal op metaalcontact wordt uitgesloten.

Thermische folie

Zijn conventionele thermisch geleidende pasta’s nog steeds relevant?

Thermisch pasta is nog steeds een veel gebruikte, goede en goedkope thermische verbinding waarbij warmteverwijdering zonder galvanische scheiding wordt geëist. In het verleden neigde thermische pasta uit te drogen en verminderde het thermische contact met de tijd. De moderne pasta’s, met hun lange-termijn stabiliteit en hun thixotrope gedrag zorgen voor een meer betrouwbare toepassing.

Wanneer plaatmateriaal, vloeibare filler, putty of pasta toepassen?

Vloeibare filler, pasta en putty-materiaal zijn automatisch te dispensen, wat ze geschikt maakt voor de productie van hoge aantallen. Pasta wordt toegepast voor een dunne film van 0,1 tot 0,3 mm dik. Vloeibare filler en putty kan vanaf 0,2 mm tot enkele millimeters spleetgrootte worden toegepast.

Het assemberen van gapfiller in plaatvorm is moeilijk te automatiseren maar prima in te zetten voor kleine en middelgrote series. Er wordt ook vaak gekozen voor plaatvorm omdat dit schoner werkt dan vloeibare of gelachtige materialen.

Gapfiller in plaatvorm wordt veelal toegepast met een compressie van 10 tot 30 procent. Vloeibare en Gel achtige materialen kunnen meer dan 70 procent van hun oorspronkelijke dikte ingedrukt worden zonder significante krachten. Iedere toepassing vraagt om zijn specifieke oplossing.

Een gapfiller op maat geconverteerd in plaatvorm geeft de beste oplossing voor toepassingen waarbij het oppervlak geheel bedekt moet worden door een complexe vorm met details zoals bijvoorbeeld een onregelmatige vorm of een vorm met een aantal uitsparingen en gaten.

Een andere belangrijke factor bij gapfiller in plaatvorm is de mogelijkheid om trillingen te dempen. Naast de warmteafvoer kan het dus ook de kans op storingen als gevolg van mechanische trillingen verminderen. In samenstellingen zoals modules in de motorruimte van auto’s, kunnen trillingen na verloop van tijd spanningsscheuren veroorzaken in soldeerverbindingen, en daarmee de betrouwbaarheid van de module negatief beïnvloeden.

Putty en plaatmateriaal zijn beide geschikt voor snelle oplossingen aan het einde van de ontwikkeling. Het is niet altijd mogelijk om vooraf te berekenen hoe het elektronische product zich thermisch zal gedragen. Dit is zeker niet de meest ideale benadering vanuit projectbeheer maar het komt met grote regelmaat voor dat achteraf nog een oplossing moet worden aangedragen. Gapfiller laat zich bijvoorbeeld ideaal klemmen tussen een heet vlak en een dichtst bij gelegen metaalprofiel.

Wat zijn de belangrijkste parameters voor het vergelijken van verschillende gapfiller-materialen?

Datasheets van gapfiller-materialen bevatten een enorme hoeveelheid technische informatie. De belangrijkste criteria die een basis vergelijking mogelijk te maken zijn:

• Thermische geleiding: aangegeven in W/mK voor de warmtecapaciteit van het materiaal te voeren. Ook wordt de warmte-overdrachtscoëfficiënt gebruikt als eenheid voor de warmte-overdracht. Hoe hoger het getal, hoe effectiever warmte wordt afgevoerd uit een component. Er zijn ook nog andere factoren die het thermische gedrag van een materiaal in de toepassing beïnvloeden. Zo hebben spleetbreedte, temperatuurniveau, ruwheid en vlakheid van de twee oppervlakken, en de uitgeoefende druk een beslissende invloed.
• Hardheid: aangegeven in Shore OO, hoe zachter het materiaal, hoe beter het is. De luchtruimten tussen de twee oppervlakken wordt goed uitgevuld en zorgt daarmee voor een goede warmteoverdracht. Zachter materiaal voorkomt ook dat te hoge contactkrachten optreden. Hierdoor worden de spanningen gereduceerd op de onderdelen en vereenvoudigt de mechanische opbouw van het samenstel.
• Doorslagspanning: is een maat voor het maximale potentiaalverschil over het materiaal dat wordt toegepast zonder dat spanningdoorslag optreedt. Breakdown voltage wordt meestal aangegeven in volt wisselspanning.

Voldoen vulmaterialen, de gemeenschappelijke normen en nieuwe regelgeving?

De meeste gapfiller-materialen zijn vlamvertragend volgens UL94. Dit is een basisvoorwaarde voor vele soorten apparatuur die bestemd zijn voor industriële toepassingen, consumentenelektronica of de auto-industrie.

Er bestaan wettelijke beperkingen of stoffen mogen worden toegepast, zoals RoHS en Reach. Over  het algemeen hebben basismaterialen en vulstoffen geen moeite met het voldoen aan deze eisen.

Ad Musters, directeur Thal Technologies

https://www.thal-technologies.com/