Wärmeleitkleber sind wichtige Partikel. Hersteller verwenden sie, um elektronische oder wärmeempfindliche Baugruppen zu verkleben. Zum Einsatz kommen dabei beispielsweise Handys, Computer oder LEDs. Diese Kleber bieten eine gute Wärmeleitfähigkeit und leiten die Wärme ab.
Wärmeleitkleber gibt es als Pasten, Bänder und Folien. Berücksichtigen Sie die thermischen und mechanischen Eigenschaften Ihres Projekts, bevor Sie den richtigen Kleber auswählen.
In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die drei wichtigsten Anwendungen von Wärmeleitkleber in der Elektronik.
II. Was sind Wärmeleitkleber?
Wärmeleitkleber sind eine Art Verbindung. Sie sorgen für eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit in elektronischen Teilen. Hersteller verwenden sie, um Geräte kühl zu halten und für eine effiziente Wärmeübertragung.
A. Arten von Wärmeleitklebern
Epoxid:
Epoxidklebstoff ist eine starke Klebelösung für robuste Bauteile. Er hält über 20 Jahre. Zum Aushärten benötigt dieser Klebstoff eine Temperatur von über 120 °C. Dieselbe Temperatur ist auch zum Ablösen erforderlich. Die Verbindung ist stark und widerstandsfähig gegenüber rauen Bedingungen. Sie eignet sich für Beton, Holz, Metalle, einige Kunststoffe usw.
Silikon:
Hersteller stellen Silikonkleber aus Kieselsäure her. Mit dieser Verbindung können zwei Teile leichter miteinander verbunden werden als mit Epoxid. Sie bleibt bei Temperaturen bis zu 200 °C anpassungsfähig. Diese Klebstoffe halten normalerweise etwa 10–15 Jahre.
Acryl:
Acrylatkleber sind weniger stark als Epoxidkleber. Sie trocknen schnell und halten 5 bis 7 Jahre. Außerdem verträgt dieser Kleber kaum Temperaturen über 120 °C. Sie können diesen Kleber für schnelle Reparaturen wie das Ausbessern kleiner Risse verwenden.
Form von Wärmeleitklebern
Einfügen:
Pastenklebstoffe sind dickflüssiger und lassen sich leicht auf unebenen Flächen verteilen. Sie können sie manuell oder mit einem Spachtel für größere Flächen auftragen. Allerdings tropft er oft über die Komponenten und sorgt für Unordnung. Pastenklebstoffe sind in Dicken von bis zu 0.1–0.5 mm erhältlich.
Film:
Folienkleber ist wie ein dünnes Blatt und bietet die einfachste Methode. Kontrollieren Sie die Klebrigkeit der Folie und verwenden Sie eine Rolle oder Presse für eine gleichmäßige Verklebung. Sie können ihn verwenden, indem Sie Hitze von 100-150 °C anwenden. Die Dicke des Folienklebers beträgt etwa 0.05-0.5 mm.
Band:
Klebeband hat eine niedrige Klebkraft auf einer Skala von 1–5. Sie können es manuell auftragen. Ziehen Sie die Schutzfolie ab und platzieren Sie es auf den zu verklebenden Stellen. Diese Klebstoffe sind für den vorübergehenden Gebrauch gedacht, da sie nicht sehr stark sind, aber für leichtere Teile verwendet werden können.
B. Wärmeleitfähigkeitsmechanismen
Füllstoffe:
Füllstoffe sind winzige Partikel. Sie bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit (z. B. 100 W/mK oder mehr). Hersteller mischen sie in den Klebstoff, um Wege für eine schnelle Wärmeübertragung zu schaffen.
Polymermatrix:
Die Polymermatrix ist eine Art Klebstoff. Diese Matrizen haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit (z. B. 0.1–1 W/mK). Sie bleiben an Ort und Stelle, halten Füllpartikel fest und verteilen die Wärme gleichmäßig.
C. Füllmaterialien: Die Geheimzutat für Wärmeleitkleber
Aluminiumoxid (Al₂O₃):
Die Aluminiumoxid-Füllstoffe leiten Wärme effizient. Sie sind wie wärmeleitende Pfade im Klebstoff. Diese Füllstoffe bieten eine gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 30 W/mK). Außerdem sind sie eine kostengünstige Wahl.
Silber:
Silber bietet eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Diese liegt bei etwa 429 W/mK. Deshalb ist Silber viel besser als Aluminiumoxid. Es leitet Wärme superschnell, hat aber einen erheblichen Preis.
Aluminiumnitrid:
Aluminiumnitrid bietet eine ausgewogene Wärmeleitfähigkeit von bis zu 180 W/mK. Dieses Material ist kostengünstiger als Silber.
Bornitrid:
Bornitrid ist die erste Wahl für Füllstoffe in Bezug auf Wärmeleitung. Es verbessert die Wärmeleitfähigkeit um etwa 300 W/mK. Dieses Material ist jedoch kostspielig. Hersteller verwenden es für Hightech-Geräte, bei denen eine effektive Wärmeübertragung erforderlich ist.
Andere Füllstoffe:
Weitere mögliche Füllstoffe sind AgCuTi (eine Silber-Kupfer-Titan-Legierung), Kupferfolie oder -schaum sowie die Kovar-Legierung. Sie leiten die Wärme ab und ermöglichen eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1 W/mK bis über 10 W/mK. Die Wärmeleitfähigkeit variiert jedoch je nach verwendetem Füllstoff.
D. Adhäsionsmechanismen: Wie Wärmeleitkleber haften
Chemische Verbindung:
Chemische Bindungen zeigen eine starke Haftung zwischen Klebstoff und Oberfläche. Diese Bindungen haften fest zwischen mehreren Verbindungen. Sie bieten eine sehr gute Haltekraft von mehreren MPa bis zu mehreren zehn MPa, oft über 10 MPa.
Van-der-Waals-Streitkräfte:
Die Van-der-Waals-Kräfte sind winzige Teilchen wie Magnete. Sie sind schwächer als chemische Bindungen, bieten aber dennoch eine gute Haftung zwischen Teilen. Darüber hinaus liegen ihre Schwächen zwischen einigen kPa und mehreren zehn kPa, normalerweise unter 100 kPa.
Wichtige Eigenschaften und Testmethoden
Wärmeleitfähigkeit:
Hersteller verwenden die Laser-Flash-Analyse (LFA), um die Temperaturleitfähigkeit zu berechnen. Sie wenden blitzartige Hitze auf die Vorderseite einer Probe an. Ein Temperaturdetektor hilft ihnen, den Temperaturanstieg auf der Rückseite im Laufe der Zeit zu verfolgen.
So wie das Bild die Formel (α = 0.1388 * L² / t₁/₂) zum Messen der Temperaturleitfähigkeit (a) zeigt, verwenden Sie die Teiledicke (L) und die Dauer, die die Temperatur der Rückseite benötigt, um auf die Hälfte ihres Maximalwerts abzufallen (t₁/₂).
Haftfestigkeit:
Um Verbindungen zwischen Teilen zu testen, führen Hersteller Zug-, Schäl- oder Zugfestigkeitstests durch. Beispielsweise erreichen starke thermische Klebstoffe bei Zugfestigkeitstests häufig einen Wert von 15 MPa.
Thermischer Widerstand/Impedanz:
Der niedrige Wärmewiderstand (< 0.2 °C·cm²/W) in Verklebungen ermöglicht eine effiziente Ableitung der überschüssigen Wärme.
Betriebstemperaturbereich:
Die Betriebstemperatur des Klebstoffs schwankt zwischen −60 °C und 250 °C. Diese Temperatur hängt auch von der Formulierung und der Haltbarkeit unter kritischen Bedingungen ab.
Viskosität/Thixotropie:
Wärmeleitklebstoffe mit hoher Viskosität (z. B. > 100,000 cP) haben eine dicke Konsistenz. Thixotrope Typen hingegen sind dünnflüssig, was die Benutzerfreundlichkeit verbessert.
Aushärtezeit/Temperatur:
Die Aushärtungszeit jedes Klebstoffs ist unterschiedlich. Einige trocknen schnell, sogar bei Raumtemperatur. Andere Typen müssen richtig erhitzt werden (z. B. 120 °C für 30 Minuten) oder mit UV-Licht bestrahlt werden.
Anwendung 1: Kühlkörperbefestigung
Thermische Verklebung sorgt für eine ordnungsgemäße und starke Befestigung an Kühlkörpern. Sie leiten Wärme effektiv durch ihre elektronischen Komponenten. Der Hersteller füllt die Mikrolücken sorgfältig, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Klebstoff kann bei geklebten Lamellenkühlkörpern Wärme bis zu 100 W ableiten.
Dieses Bild zeigt, wie der Wärmeleitkleber auf Kühlkörper auf Leiterplatten aufgetragen wird. Leitfähiges Fett, Paste und Gips werden beispielsweise oft als „Wärmeleitpaste“ bezeichnet.
Zahlen:
● Extrudierte Kühlkörper: Sie haben eine hohe Festigkeit und bieten einen Wärmewiderstand von 0.5–1.5 °C/W.
● Gestanzte Kühlkörper: Sie sind leichter und kostengünstiger. Sie bieten einen Wärmewiderstand von 1.0–3.0 °C/W.
● Geklebte Lamellenkühlkörper: Die Wärmeleitfähigkeit dieser Kühlkörper beträgt etwa 5–15 W/mK. Sie sind für Systeme mit einer Verlustleistung von über 50 W geeignet.
Dicke der Klebelinie
Die Klebelinie ist die Klebeschicht. Sie bleibt zwischen dem Kühlkörper und dem Bauteil. Ihre Dicke führt zu Änderungen der Wärmeleistung. Eine Klebelinie von 0.1–0.3 mm ist beispielsweise für die meisten Teile gut geeignet. Dickere Schichten können jedoch den Wärmewiderstand um über 1.0 °C/W erhöhen. Dünnere Schichten hingegen bieten schlechte Verbindungen und erzeugen Luftspalte.
Oberflächenvorbereitung
Eine gründliche Oberflächenreinigung sorgt für optimale Haftung des Klebstoffs. Verwenden Sie dazu 99% igen Isopropylalkohol oder Aceton. Damit lassen sich Verunreinigungen, Öl und Staub entfernen. Achten Sie außerdem darauf, dass die Oberflächen vor dem Auftragen des Klebstoffs ausreichend trocknen.
Dosiermethoden
Hersteller verwenden Spritzen oder automatisierte Systeme für kleine bis große Flächen. Diese Methoden helfen ihnen, präzise Ergebnisse zu erzielen. Sie können Auftragsgeschwindigkeiten von bis zu 50 mm/s erreichen.
Spezifische Beispiele
Wärmeleitkleber helfen dabei, übermäßige Wärme in CPUs, GPUs und Leistungstransistoren abzuleiten. Sie können diese Lasten bis zu 150 W steuern.
Darüber hinaus nutzen Hersteller thermische Simulationswerkzeuge. Diese Werkzeuge helfen ihnen bei der Erstellung effizienter Modelle, die auf Wärmeleitfähigkeitswerte von 1–10 W/mK abzielen.
Anwendung 2: Bauteilmontage
A. Oberflächenmontagetechnik (SMT)
Wärmeleitkleber sind für SMT sehr wichtig. Sie befestigen oder montieren Komponenten fest auf Platinen. Dadurch wird viel Leistung abgeleitet. Darüber hinaus sorgen diese Kleber für Stabilität und thermische Effizienz.
Das Bild zeigt mehrere PCBc-Komponenten, die mit Wärmeleitkleber befestigt sind. Zum Beispiel Unterfüllungskantenbindung, Schutzbeschichtung, Wärmeleitkleber, SMD-Chipbefestigung, elektrisch leitfähiger Kleber usw.
B. Unterfüllung
Wärmeleitkleber sind wichtige Unterfüllpartikel. Sie verbessern die Zuverlässigkeit und Wärmeleistung von Flip-Chip-Gehäusen und BGAs. Außerdem bieten sie eine lange Haltbarkeit.
C. Die Befestigung
Sie können wärmeleitende Klebstoffe auch verwenden, wenn Sie Chips an integrierte Schaltkreise anbringen. Sie bieten leistungsstarke Wege, um die Wärme von allen montierten Komponenten abzuleiten.
D. Konkrete Beispiele
Hersteller verwenden Wärmeleitkleber, um verschiedene Komponenten zu montieren. Zum Beispiel LEDs und Leistungsdioden. Klebstoffe in Teilen kontrollieren Wärmebelastungen von bis zu 200 W. Hersteller unterziehen diese Artikel auch mehreren Zuverlässigkeitstests. Dazu gehören Temperaturwechsel- und Feuchtigkeitstests (bis zu 85 % relative Luftfeuchtigkeit), um die Leistung zu bestätigen.
Anwendung 3: Thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs)
Wärmeleitmaterialien (TIMs) leiten Wärme zwischen Bauteiloberflächen ab. Hersteller verwenden sie, um die Zwischenräume zu füllen. Sie sind für Temperaturen von -40 °C bis 150 °C geeignet und weisen Dicken von 0.1 bis 1 mm auf.
Das folgende Bild unterstreicht die Bedeutung von TIMs zur Verbesserung der CPU-Kühlung. Es zeigt, dass keine TIMs vorhanden sind. Mikroskopische Luftspalte zwischen Kühlkörper und Prozessor behindern die Wärmeübertragung. Das ordnungsgemäße Füllen von Lücken mit TIMs verbessert die Wärmeleitfähigkeit der Materialien des Motherboards.
A. Arten von TIMs
Es gibt drei gängige TIM-Typen: Wärmeleitpasten, Wärmeleitpads und Wärmeleitklebstoffe.
● Wärmeleitpasten eignen sich gut für Hochleistungs-CPUs
● Wärmeleitpads bieten Benutzerfreundlichkeit für Standard- bis normale Setups
● Klebstoffe bieten die perfekte Verbindung für sichere und langlebige Anwendungen.
B. Thermischer Widerstand von Grenzflächen
Der thermische Grenzflächenwiderstand liegt typischerweise zwischen 0.1 und 1.0 °C/W. Er behindert die Wärmeübertragung. Wärmeleitklebstoffe reduzieren diese Widerstände und ermöglichen sehr starke und nahtlose Verbindungen zwischen den Bauteilen.
C. Phasenwechselmaterialien (PCMs)
Phasenwechselmaterialien in Wärmeleitklebern leiten Wärme besser. Sie ändern ihren Zustand bei bestimmten Temperaturen (50–70 °C). Darüber hinaus optimieren diese Materialien die Leistung bei hoher thermischer Belastung.
D. Konkrete Beispiele
Hersteller verwenden thermisch haftende TIMs zwischen Wärmeverteilern und Kühlkörpern. Sie erzeugen Wärmeleitfähigkeiten von 1–10 W/mK.
Im Gegensatz zu anderen TIMs haften sie fest an Teilen und ermöglichen eine einfache Anwendung für bestimmte Designs. Darüber hinaus bieten sie Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen.
Fazit:
Wärmeleitkleber leiten Wärme von Kühlkörpern und anderen Geräten ab. Sie sichern die Montage von Bauteilen und halten diese kühl. Darüber hinaus verwenden Hersteller sie in Teilen, um ihre thermischen Schnittstellenmaterialien zu verbessern.
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