Wärmemanagement: Warum Indium die beste Wahl ist

In unserem ersten Rückblick auf unsere Produktreihe^{„Heat-Spring®“} – thermische Schnittstellenmaterialien aus Metall – haben wir festgestellt, dass^{Heat-Spring®} aus einem Kundenbedürfnis heraus entstanden ist. Polymere und Fette reichten für die hohen Anforderungen vieler unserer Kunden an das Wärmemanagement nicht aus. Indiummetall weist zwar eine hohe Wärmeleitfähigkeit (86 W/m·K) auf, doch Silber, Gold und sogar Aluminium haben eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit. Deshalb wandte ich mich an Bob Jarrett, einen der Entwickler von Heat-Spring, um herauszufinden, warum Indium besser funktioniert als diese anderen Materialien.

Er erklärte mir, dass es zwei wesentliche Eigenschaften gibt, die Indium gegenüber diesen anderen Metallen einen Vorteil verschaffen: Temperatur und Fließspannung.

Indium schmilzt bei einer Temperatur von 157 °C. Die anderen drei schmelzen bei Temperaturen nahe oder über 1.000 °C. „Indium schmilzt bei 157 °C, was niedrig genug ist, um die Befestigung des Deckels am Chip zu ermöglichen, ohne dass die Reflow-Temperaturen des für das Gehäuse verwendeten SAC-Lots überschritten werden. Dieser niedrige Schmelzpunkt bedeutet auch, dass Indium bei Raumtemperatur geglüht wird – es kehrt ohne Erwärmung in den erweichten Zustand zurück“, so Bob. Daher können Sie eine thermische Schnittstelle aus Indium als Befestigungsmaterial verwenden, ohne temperaturempfindliche Bauteile zu beschädigen oder andere Lötstellen auf Ihrer Leiterplatte zu beeinträchtigen.

„Fließspannung“ bedeutet einfach, dass Indium weich genug ist, um zwei Dinge zu tun, die andere Metalle nicht können:

1. Ausgleich einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen zwei Passflächen. Verschiedene Materialien dehnen sich unterschiedlich stark aus und ziehen sich unterschiedlich stark zusammen, was einen gewissen Ausgleich in einer Zwischenschicht (wie einem Wärmeleitmaterial) erforderlich macht. Die anderen in Frage kommenden Materialien sind nicht so nachgiebig wie Indium. „Indium ist wirklich sehr, sehr weich. Seine Fließspannung liegt bei etwa 150 psi (1 MPa). Dadurch kann sich Indium an die Passflächen anpassen und Verformungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung absorbieren, ohne die Scherkräfte auf die empfindlichen Halbleitermaterialien zu übertragen“, sagt Bob.
2. Zudem optimiert es die Wärmeleitfähigkeit durch den verbesserten Kontakt, selbst auf unebenen Oberflächen. Bob fügt hinzu : „Indium passt sich Unebenheiten, Erhebungen oder Vertiefungen in der Grenzfläche an, während ein härteres Material an solchen Hindernissen einfach den Kontakt verlieren würde. Indium maximiert die Kontaktfläche.“

Bob fuhr fort: „Die Weichheit von Indium verleiht dem^{Heat-Spring®} zudem die Eigenschaft, dass sein Wärmewiderstand mit der Zeit abnimmt . Die Erhebungen im Muster des Heat-Spring verformen sich zunächst plastisch unter der einwirkenden Last. Mit der Zeit passt sich das Indium immer feineren Unebenheiten an, wodurch sich die Kontaktfläche vergrößert. Ein Schmierfett verteilt sich dünn über die gesamte Oberfläche (und drückt den Überschuss an die Ränder). Die Erhebungen des Heat-Spring glätten sich und füllen die Vertiefungen teilweise aus, bleiben jedoch an ihrer ursprünglichen Stelle.“

Im nächsten Beitrag werden wir uns mit dem Wärmewiderstand und der Wärmeleitfähigkeit befassen.