Phasenwechselmaterialien

Ein PCM-Wärmeleitmaterial ist eine dünne Folie, die bei Raumtemperatur fest ist (und sich daher wie ein Wärmeleitpad versenden und installieren lässt), aber bei einer definierten Übergangstemperatur – typischerweise 50–60 °C für polymerbasierte Typen – erweicht oder schmilzt. Beim ersten Aufheizzyklus fließt das Material in die mikroskopischen Oberflächenunebenheiten der Wärmequelle und des Kühlkörpers und erreicht eine Schichtdicke, die der von Wärmeleitpaste nahekommt (10–50 µm). Nach dem Abkühlen unter die Übergangstemperatur verfestigt es sich wieder und fixiert den Kontakt. Das Ergebnis ist ein Kontaktwiderstand wie bei Wärmeleitpaste bei einfacher Installation wie bei einem Pad und ohne Auspump-Effekt bei Temperaturzyklen.

Wählen Sie ein PCM, wenn Sie einen Kontaktwiderstand auf dem Niveau von Wärmeleitpaste ohne die Unordnung bei der Montage oder das langfristige Risiko des Auspumpens (Pump-out) wünschen. Häufige Anwendungsfälle sind integrierte Heatspreader für Server-CPUs/GPUs, OEM-Kühlbaugruppen für Laptops/Desktops und jede Art von Großserienfertigung, bei der die Inline-Dosierung von Wärmeleitpaste unpraktisch ist, die Klebefuge eines Wärmeleitpads jedoch zu dick wäre. Verzichten Sie auf PCM, wenn (a) die Oberfläche so rau ist, dass selbst geschmolzenes PCM den Spalt nicht füllen kann (verwenden Sie ein Pad), oder (b) die Betriebstemperatur unter dem Phasenwechselpunkt bleibt, sodass das Material nie erweicht (verwenden Sie Wärmeleitpaste).

TIC800M ist eine Wismut-Zinn-Legierung, die oberhalb von 60 °C einen echten Phasenübergang von fest zu flüssig durchläuft und unterhalb von 57 °C wieder erstarrt. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 18,9 W/m·K – das 2- bis 4-fache der besten polymerbasierten PCMs und das 5-fache typischer Silikon-Wärmeleitpaste. Der Kompromiss: Es ist elektrisch leitfähig und darf daher nur auf isolierten Gehäuseoberflächen verwendet werden (keine blanken Leiterbahnen in der Nähe), und die Phasenübergangstemperatur ist durch die Chemie der Legierung festgelegt. Anwendungsfälle: Laserdiodenpumpen, Hochstrom-SiC-Module und alle Anwendungen, bei denen der thermische Widerstand von polymerbasierten PCMs zum Engpass wird.

Wählen Sie eine Übergangstemperatur, die 10–20 °C unter der typischen Sperrschichttemperatur des Bauteils im Betrieb liegt, damit das PCM im Normalbetrieb zuverlässig erweicht. Die meisten CPUs und GPUs betreiben ihren Heatspreader im Betrieb bei 60–80 °C, daher ist ein polymerbasiertes PCM mit einer Übergangstemperatur von 50–60 °C die Standardwahl. Industrielle Leistungsmodule, die kontinuierlich bei 80–100 °C betrieben werden, können von einer Formulierung mit höherem Phasenübergang profitieren; fragen Sie dazu Ihren Anwendungsingenieur. Die Übergangstemperatur ist unabhängig von der maximalen Betriebstemperatur, die viel höher sein kann (TIC800K funktioniert bis zu 125 °C).

Polymerbasierte PCMs hinterlassen nach einem Wärmezyklus einen klebrigen Rückstand, der ähnlich wie Wärmeleitpaste mit Isopropanol abgewischt werden kann. Metallisches PCM (TIC800M) erstarrt wieder zu einer dünnen Schale, die sorgfältig abgezogen und gereinigt werden muss. Das erneute Auftragen eines frischen PCMs nach dem Entfernen des Originals stellt die Verbindung wieder her – bei Verbindungen mit metallischem PCM sollte jedoch auf Oberflächenlegierungen mit dem Kühlkörper geachtet werden (einige Beschichtungen reagieren bei langer Betriebsdauer). Planen Sie bei Designs für OEM-Stückzahlen eine einmalige Installation und budgetieren Sie keine Nacharbeiten im Feld.

PCM-Folien werden auf verschiedenen Trägermaterialien geliefert: Aluminiumfolie (TIC800A-AL – verbessert die Gleichmäßigkeit der Ausbreitung), Polyimid / Kapton MT (TIC800D, TIC800P, TIC800K – verleiht mechanische Robustheit und chemische Beständigkeit), Edelstahlfolie (TIC800G-ST – für höhere mechanische Beanspruchung) und als freistehendes, flexibles Festmaterial (TIC800A, TIC800G, TIC800H – maximale thermische Leistung, erfordert sorgfältige Handhabung). Die Wahl des Polymer- oder Metallträgers richtet sich in der Regel eher nach den Anforderungen der Montageautomatisierung als nach der thermischen Leistung – die meisten Polymerträger erhöhen den thermischen Gesamtwiderstand um weniger als 5 %.