Wir vertreiben High Tech- und Standard-Produkte namhafter Hersteller, bieten Technologie- und
Produktberatung zu spezifischen Anwendungen unserer Kunden und unterstützen sie mit individuellen Lösungen

Wir bieten Ihnen unter anderem Produkte aus folgenden Bereichen an:

FOX-Folien-Stanzteile

  - Wärmeleitmaterial, Wärmeleitfolien, Gap Filler, Klebefilme,
     Phase Change  Folien, ESD Folien
     - Elektroisolierfolien : Formex
®, Hostaphan ® , Mylar ® Polyesterfolie ,
                                       Nomex ®,
                                       Makrofol
® ( und andere Folien auf Anfrage)

- Kabelkonfektionen
- Kühlbleche, Stanzbiegeteile
- Basotect
® Schaumstoff  (Basotect ® ist ein flexibler, offenzelliger Schaumstoff aus
                                                    Melaminharz, einem duroplastischen Kunststoff. 
                                                    Anwendungstemperatur bis 240 °C)

- Poron
® (Microcellular Urethanes für Flächendichtungen und für Dichtungen)
- Wärmeisolierfolien , Wärmeisoliermaterial, Stanzteile

Datenblätter und Kataloge können Sie im Downloadbereich herunterladen.
Detaillierte technische Datenbläter für einzelne Materialien stellen wir auf Anforderung gerne zur Verfügung
Mylar® , Melinex®, Teonex® und Nomex® sind eingetragene Warenzeichen der Fa. DuPont

Design thermischer Lösungen mit Gap-Fillern:

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Gap-Filler haben gegenüber herkömmlichen Thermal-Pads und Wärmeleitpasten verschiedene Vorteile. Dieser Beitrag zeigt, aus welchen Materialien solche Gap-Filler bestehen und welche Eigenschaften sie daher haben. Der zweite Teil geht genauer darauf ein, welche mechanischen Toleranzen diese Bauteile ausgleichen können, und welche physikalischen Größen dabei eine Rolle spielen.

Seit einigen Jahren haben sich so genannte »Gap-Filler« immer weiterentwickelt und bieten nun für Entwickler, die mit der Wärmeableitung in elektronischen Systemen beschäftigt sind, neue Möglichkeiten. Viele Applikationen mögen zwar noch mit herkömmlichen Thermal-Pads und Wärmeleitpasten auskommen, Gap-Filler sind aber die Lösung für eine Vielzahl neuer Probleme, die in Sachen Wärmeableitung zu beachten sind. Diese Herausforderungen nehmen durch neue Designs und neue Techniken immer weiter zu. Der rasche Anstieg und das Interesse an kompakten, tragbaren Applikationen bietet für solche Gap-Filler ein breites Anwendungsspektrum. Da Platz- und Gewichtseinsparungen oberste Prämissen beim Design tragbarer elektronischer Geräte sind, ist der Einsatz herkömmlicher Kühlkörper zur Wärmeableitung von Bauteilen und Prozessoren heute nicht mehr gefragt bzw. nicht hinnehmbar. Gap-Filler ermöglichen es, das Gehäuse doppelt zu nutzen: Zum einen bietet es einen Schutz für die empfindlichen Elektronikschaltkreise im Inneren, zum anderen lässt sich das Gehäuse als effizienter Kühlkörper beziehungsweise Wärmeableiter nutzen, wenn es über ein solches Material mit den Wärme erzeugenden Bauteilen gekoppelt ist.

Das Angebot an Gap-Fillern am Markt ist vielfältig. Es gibt sie in Blattform, als Die-Cut und sogar in flüssiger Form zur Applikation der thermischen Schnittstelle mit Spritzen oder einem Appliziergerät. Die Materialien werden in verschiedenen Dicken, Härtegraden und Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten angeboten. Auch flache gerippte Materialien in Blattform sind verfügbar. Sie eignen sich vor allem in Applikationen mit besonders empfindlichen Bauteilen oder für große selbsttragende Bereiche auf einer Leiterplatte. Die nötige Andruckkraft ist geringer als bei den rein flachen Materialien. Die meisten
Gap-Filler enthalten ein Trägersubstrat, bei dem es sich um eine Aluminiumfolie, eine Glasfasermatte oder ein integriertes Glasfaser-Maschennetz handeln kann. Für Applikationen, die einen bestimmten Grad an elektrischer Isolierung benötigen, eignet sich der Glasfaserträger am besten. Das Trägermaterial verdichtet sich nicht vollständig, bietet somit einen guten Widerstand gegen Durchschläge und behält seine isolierenden Eigenschaften. Um die Montage zu vereinfachen, enthält das Material meist einen druckempfindlichen Kleber.

Einfluss der Trägersubstrate

Für Gap-Filling-Applikationen, die keine elektrische Isolierung benötigen, eignen sich die Optionen Glasfaser oder Aluminiumfolie. Da Filler meist Silikon enthalten, bieten sie eher eine schlechte Reißfestigkeit. Ist aber eine
Glasfasermatte in das Material eingebunden, erhöht sich die Reiß- und mechanische Festigkeit erheblich. Der exponierte Gap-Filler auf beiden Seiten des Materials lässt sich bei der Montage durch geringen Anpressdruck leicht zusammendrücken und nimmt somit die Form der Bauteile an. Damit ist eine gute Wärmeableitung gewährleistet. Die Oberfläche des Materials ist klebrig, was die Montage vereinfacht und zusätzliche Kleber überflüssig macht. Für Applikationen, die spezielle Hot-Spots aufweisen, ist ein Gap-Filler mit Aluminiumfolie die beste Option. Die große Oberfläche der Folie muss dabei mit einer flachen Seite am Gehäuse verbunden werden, um eine effiziente Wärmeverteilung zu garantieren. Ein druckempfindlicher Kleber auf der Folie erleichtert dabei die Positionierung der Bauteile sowie deren Montage.

Gap-Filler, die eines der drei oben genannten Trägersubstrate enthalten, lassen sich mehrfach wieder positionieren und bieten effizienten Wärmetransport über große Bauteilabstände hinweg – selbst bei unebenen Oberflächen, die keine hohen Anpressdrücke vertragen. Bei größeren Flächen lässt sich die Wärmeableitung auf dicht bestückten Leiterplatten, denen nur eine schlechte oder gar keine Luftkühlung (Konvektion) zugute kommt, erfolgreich bewerkstelligen. Gap-Filler bieten als zusätzlichen Vorteil einen gewissen Schutz vor mechanischen Stößen, denn die elektronischen Bauteile sind direkt mit dem Material gekoppelt. Dies erweist sich besonders vorteilhaft für tragbare Applikationen, wie industrielle Messgeräte und Notebooks, die in rauen Umgebungen zum Einsatz kommen. Für große bzw. unebene Lücken oder Applikationen, bei denen selbst relativ weiche Gap-Filler zu viel Druck auf die montierten Bauteile ausüben, bietet sich die Variante »Form-in-Place« an. Diese hoch konformen, vorgehärteten Silikonmaterialien stehen als zähflüssige Paste zur Verfügung und werden mit einer Spritze appliziert. Einige Verbundmaterialien enthalten kleine Glaskügelchen mit einem Durchmesser von etwa 0,25 mm, die als Druckbarriere dienen und sicherstellen, dass selbst bei hohem Montagedruck nur
eine dünne Schicht des Wärmeschnittstellenmaterials zurückbleibt.

Einfluss der Füllstoffe

Die zwei Hauptbestandteile der meisten Gap-Filler sind Silikon-Elastomere und leitfähige Füllstoffe. Günstigere Materialien enthalten oft Aluminiumoxide im Silikon, was eine ausreichende Wärmeableitung für die Mehrzahl der Applikationen gewährleistet. Schaltkreise und Bauteile, die bessere Wärmeableitungseigenschaften benötigen, können mit Materialien wie Bornitrid (BN) ausgestattet werden. Es bietet die beste Wärmeleitfähigkeit, ist aber teurer als andere Füllmaterialien. Silikonverbundmaterialien bleiben über sehr lange Zeiträume hinweg stabil. Die durchschnittliche Lebenserwartung beträgt mehr als zwanzig Jahre und ist damit wesentlich größer als bei den meisten elektronischen Bauteilen.

Materialien für Gap-Filler sind extrem weich. Der Härtegrad reicht von etwa 30° bis hinab zu 15° (Shore A). Laut den Sicherheitsvorschriften der Elektronikindustrie sind viele Gap-Filler nun schwer entflammbar und somit konform nach Underwriters Laboratory (UL). Dies trifft vor allem auf große Lagen zu, die ganze Leiterplatten abdecken. Entwickler silikonbasierter Gap-Filler konnten auch das Ausdiffundieren des Silikons reduzieren. Schlägt sich zu viel Silikon auf Leiterplatten mit optischen Bauteilen nieder, kommt es zu Verunreinigungen, welche die optische Funktion beeinträchtigen.

Im Gegensatz zu anderen Elastomeren ist Silikon bekannt für seine Einsatzmöglichkeit in einem breiten Temperaturbereich. Gap-Filler eignen sich für einen Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +200 °C, was mehr als genug für den  zuverlässigen Betrieb der meisten elektronischen Bauteile ist. Die Wärmeleitfähigkeit ist die beste Vergleichsgröße für die thermische Leistungsfähigkeit verschiedener Materialien. Die Größe »Watt pro Meter x Kelvin« (W/mK) gibt Auskunft über  die Wärmeleitfähigkeit des Materials, ohne dabei den Einfluss einer bestimmten Applikation mit zu berücksichtigen.

Toleranzausgleich

Ein Bereich, in dem sich Gap-Filler bewährt haben, ist das Ausgleichen mechanischer Bauteiltoleranzen. So gibt es eine Vielzahl auf dem Markt mit Materialdicken von 0,5 mm bis 10,0 mm. Häufig erfolgt die Materialauswahl leider erst am Ende eines Entwicklungsprojektes und ist lediglich eine späte thermische Notlösung. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde an alles andere als an die Optimierung der mechanischen Summentoleranzen und deren thermische Überbrückung gedacht.  Beispielhaft für Summentoleranzen aus Leiterplattentoleranzen, Lötpunkten und den Ungenauigkeiten der Gerätegehäuse  sind Werte bis zu ±0,5 mm und sogar mehr. Die Konsequenz ist, dass zum Toleranzausgleich mit thermischer Anbindung sehr dicke und äußerst weiche, aber gleichzeitig auch thermisch sehr leitfähige Gap-Filler eingesetzt werden müssen. Ein Redesign ist zu diesem Zeitpunkt kaum mehr möglich. Damit kommen alle Merkmale einer teuren Lösung gleichzeitig zusammen: Die Kombination der Merkmale – sehr weich und thermisch sehr gut leitend – erfordert hochwertige Wärme leitende Materialien mit großen Anteilen z.B. an Bornitrid. Darüber hinaus erfordert eine große Dicke einen hohes Materialvolumen. Beide Forderungen führen zu erheblichen Mehrkosten. Ein weiterer Designeinfluss ergibt sich aus dem druckabhängigen Verhalten der Materialien. Für eine stabile thermische Anbindung müssen die Wärme leitenden und als Federelemente wirkenden Elastomere durch Kompression unter Vorspannung stehen. Die dazu erforderlichen Drücke dürfen wegen des Risikos der Beschädigung der Leiterplatte und der Lötverbindungen allerdings nur klein sein. Ausreichender stabiler Druck ist andererseits nötig, um die Materialien so zu komprimieren, dass die Kontaktflächen im gesamten Toleranzbereich der Applikation miteinander dauerhaft thermisch gut leitend verbunden sind. Das elastoplastische Verhalten von Elastomeren spielt für die Einstellung des Druckes eine weitere entscheidende Rolle.
Die Materialien federn nach einem Zyklus von Druckbeaufschlagung und Druckentlastung irreversibel nicht mehr vollständig in die Ausgangsdicke zurück. Diese Materialverformung heißt »Compression Set« und ist umso ausgeprägter, je größer der statische Druck ist. Darüber hinaus treten weitere zeitabhängige Vorgänge auf. Starke statische Belastungen über einen gewissen Zeitraum führen zu Kriechen und zu Relaxation. Durch die eintretende Strukturverformung verschlechtert sich die thermische Anbindung langsam. Beim Design kommt es also maßgeblich auf die richtige Druckausübung unterhalb der Versagensgrenze an, um diese Verformung so gering wie möglich halten und die für eine ausreichende permanente thermische Anbindung entscheidenden Rückstellkräfte aufrecht zu erhalten. Es ist zwingend erforderlich, die Herstellerangaben zu befolgen.

Der Stellbereich von weichen Elastomeren liegt je nach Material im Bereich von 10% bis über 50% Kompression bei Drücken etwas oberhalb von 0 kPa bis über 50 kPa. Mit einem 3,0 mm dicken Gap-Filler, der sich um etwa 40% ohne nennenswerten Verlust der Rückfederung komprimieren lässt, ist ein maximaler Toleranzbereich von zirka ±0,5 mm ausgleichbar, sofern eine Kompression von ungefähr 20% bzw. eine mittlere Dicke (d) des Materials von etwa 2,3 mm eingestellt werden.
Dieses ergibt sich aus der Forderung, dass auch bei Erreichen der Toleranzgrenze immer eine Vorspannung durch
Kompression des Materials um wenigstens 0,2 mm gegeben sein muss, um die thermische Anbindung sicher zu stellen.
Eine Dicke von 1,5 mm desselben Materials reicht aus, wenn die Toleranzen beim Design auf ±0,2 mm beschränkt werden. Halbiert sich die Materialdicke bei gleich großer Kontaktfläche A, genügt ein Material mit nur einem halb so großen materialspezifischen thermischen Leitfähigkeit k (in W/mK), um einen vergleichbar niedrigen thermischen
Innenwiderstand Rth,mat durch das Gap-Filler-Material zu erreichen.
Dies zeigt folgende Beziehung: k = 1/ Rth,mat x d/A.
Dieses macht die ausschlaggebenden Zusammenhänge deutlich: Es kommt auf das Zusammenwirken von Druck, Kompression, Spaltmaß und Materialdicke, maximaler Summentoleranz und den thermischen Anforderungen an, was sich unmittelbar auf die Kosten auswirkt. Die Kosten sind bei doppelter Dicke des gleichen Materials erfahrungsgemäß um das 1,5- bis 2-Fache erhöht.
Bei der Verwendung eines 3,0 mm dicken Materials ein doppelt hoher thermischer Leitwert z.B. von 3,0 W/mK gegenüber dem niedrigeren Leitwert eines anderen 1,5 mm dünnen Materials von 1,5 W/mK vonnöten ist, um etwa gleich gute thermische Verhältnisse (Rth,mat = konst.) zu erzielen. Damit sich vervielfachen die Kosten insgesamt um den Faktor 3 bis 5.
Natürlich sind auch die Kosten zu bilanzieren, die aufkommen, wenn man die Toleranzen durch mechanische Bearbeitung reduzieren möchte, z.B. durch Planfräsen. Schließlich muss berücksichtigt werden, dass Gap-Filler ab einer Dicke von etwa 3 mm nicht mehr als Teile auf Rolle gefertigt werden können und folglich die automatisierte Montage von Matten schwierig und die Kosten durch Sonderlösungen darüber hinaus sehr hoch sind. Diese Relationen sind in einer möglichst frühen Phase der Entwicklung zu berücksichtigen.

Für Anfragen oder Beratung stehen wir telefonisch unter 04328-172629 oder
per email unter service@foxtronic.de  jederzeit gerne zur Verfügung.

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