Præcis dosering af termisk pasta på et printkort. Højfyldte thermal interface materials (TIM) kan stille store krav til både materialeforsyning, doseringsteknologi og proceskontrol
ViscoTec Nordic – Effektiv varmeafledning spiller en afgørende rolle i moderne elektronikproduktion. Elektroniske komponenter bliver stadig mindre, samtidig med at kravene til deres ydeevne øges. Det stiller større krav til de materialer og produktionsprocesser, der skal sikre en stabil og effektiv varmeoverførsel.
Termisk pasta og gap fillers anvendes til at forbedre varmeoverførslen mellem elektroniske komponenter, køleflader og kabinetter. Materialerne kan dog være vanskelige at håndtere i automatiserede produktionsprocesser.
Høj viskositet, abrasive fyldstoffer, luftindeslutninger og krav om præcis materialepåføring er blandt de udfordringer, producenterne skal håndtere.
Hos ViscoTec Nordic arbejder man med doseringsløsninger til blandt andet højviskøse, højfyldte og abrasive materialer. Her er samspillet mellem materialeforsyning, doseringsteknologi og automatisering afgørende for et stabilt resultat.
Termiske interface-materialer forbedrer varmeoverførslen
Termiske interface-materialer, også kaldet Thermal Interface Materials (TIM), anvendes til at skabe bedre termisk kontakt mellem to overflader.
Selv tilsyneladende plane overflader har mikroskopiske ujævnheder. Når elektroniske komponenter samles, kan der derfor opstå små luftlommer mellem kontaktfladerne.
Luft har en relativt lav termisk ledningsevne og kan dermed øge den termiske modstand. TIM-materialer udfylder ujævnhederne og forbedrer varmeoverførslen mellem komponenterne.
Materialerne anvendes blandt andet i printkort, elektroniske moduler, effektelektronik, invertere, LED-moduler, batterisystemer samt sensorer og styringselektronik.
TIM omfatter flere materialetyper, herunder termisk pasta, thermal grease, thermal gels, gap fillers og termisk ledende lim.
Materialernes forskellige egenskaber betyder, at de også stiller forskellige krav til doseringsudstyret.
Højt fyldstofindhold kan komplicere doseringen
Termisk pasta indeholder typisk varmeledende partikler, eksempelvis keramiske eller mineralske fyldstoffer. Disse forbedrer materialets evne til at transportere varme, men kan samtidig gøre doseringsprocessen mere krævende.
Et højt indhold af fyldstoffer kan medføre øget viskositet og abrasivitet. Det kan også stille større krav til materialeforsyningen og øge risikoen for separation eller sedimentation.
Derudover kan materialets flydeegenskaber ændre sig under bearbejdningen.
Det er dog vigtigt at skelne mellem viskositet og abrasivitet. Et højviskøst materiale er ikke nødvendigvis abrasivt, ligesom partikelholdige materialer ikke automatisk er stærkt slidende.
Materialets abrasive egenskaber afhænger blandt andet af fyldstoffernes hårdhed, størrelse, form og koncentration.
Disse forhold skal vurderes, når der vælges doseringsudstyr til den konkrete produktionsproces.
Forskellen mellem termisk pasta og gap fillers
Selvom termisk pasta og gap fillers begge anvendes til termisk styring, har de forskellige anvendelsesområder.
Termisk pasta, også kendt som thermal paste eller thermal grease, anvendes typisk mellem overflader, der ligger forholdsvis tæt på hinanden.
Gap fillers er derimod udviklet til at udfylde større eller mere varierende mellemrum mellem komponenter og køleflader.
Det kan eksempelvis være mellem elektroniske moduler og kabinetter, hvor tolerancer og ujævnheder skaber afstand mellem kontaktfladerne.
Gap fillers findes både som enkomponentmaterialer (1K) og tokomponentmaterialer (2K).
Ved dosering af 2K-materialer skal komponenterne tilføres i det korrekte blandingsforhold. Samtidig skal der sikres en tilstrækkelig homogen blanding.
Doseringsprocessen skal derfor ikke alene sikre den korrekte materialemængde, men også den nødvendige blandekvalitet og påføring.
Korrekt materialemængde er afgørende for varmeafledningen
Valget af et materiale med høj termisk ledningsevne er ikke i sig selv tilstrækkeligt. Materialet skal også påføres i den rette mængde og fordeles korrekt.
Hvis der doseres for lidt, kan kontaktfladen blive utilstrækkeligt dækket. Det øger risikoen for luftlommer og dermed en højere termisk modstand.
En for stor materialemængde kan omvendt føre til spild, tilsmudsning af omkringliggende komponenter eller uhensigtsmæssig materialefordeling under samlingen.
Den optimale doseringsmængde afhænger af materialets egenskaber, kontaktfladernes geometri og den ønskede lagtykkelse.
Et centralt begreb er bond line thickness (BLT), som betegner tykkelsen af materialelaget mellem kontaktfladerne.
Denne lagtykkelse har betydning for den samlede termiske modstand.
Derfor skal doseringsmængden vurderes i sammenhæng med komponenternes udformning og den efterfølgende samlingsproces.
Luftbobler kan forringe den termiske kontakt
Luftindeslutninger er en særlig udfordring ved dosering af termisk ledende materialer.
Hvis luftbobler bliver tilbage i det påførte materialelag, kan de lokalt forringe varmeoverførslen mellem komponenterne.
Luft kan allerede være til stede i materialebeholderen eller opstå som følge af uhensigtsmæssig materialeforsyning. Separation, uensartet materialekonsistens, mangelfuld afluftning og uhensigtsmæssig påføring kan også påvirke resultatet.
Selv en dispenser med høj doseringsnøjagtighed kan derfor have vanskeligt ved at sikre et optimalt resultat, hvis materialet indeholder luft.
I sådanne applikationer kan korrekt materialebehandling og afgasning være lige så vigtig som selve doseringsteknologien.
ViscoTec tester løsning til BorgWarner
Et konkret eksempel findes hos BorgWarner, der blandt andet producerer effektelektronik til e-mobility.
Her gav egenskaberne ved en termisk pasta udfordringer i produktionsprocessen.
Materialet havde tendens til separation og indeholdt uregelmæssigheder, som vanskeliggjorde den direkte tilførsel til doseringsprocessen.
ViscoTec gennemførte derfor tests med en løsning, hvor materialet først blev tømt fra sin beholder og efterfølgende behandlet i et afgasningssystem.
Formålet var at skabe en mere ensartet materialekvalitet inden den videre dosering.
Eksemplet understreger, at en stabil doseringsproces ikke nødvendigvis begynder ved dispenseren. Materialets tilstand og håndtering forud for doseringen kan have afgørende betydning for resultatet.
Volumetrisk dosering af højviskøse og abrasive materialer
Når højviskøse og abrasive materialer skal doseres præcist, er det nødvendigt at vælge teknologi, der kan sikre kontrolleret materialetransport.
Samtidig skal doseringsudstyret kunne modstå den mekaniske belastning fra materialet.
En mulig løsning er volumetrisk dosering baseret på excentersnekketeknologi, også kendt som progressive cavity technology.
Her transporteres materialet gennem definerede kamre mellem en rotor og en stator. Den transporterede volumen kan dermed styres gennem dispenserens rotation.
Teknologien kan være fordelagtig i applikationer med høje krav til doseringsnøjagtighed og reproducerbarhed.
Ved særligt abrasive materialer kan der desuden være behov for slidbestandige komponenter.
ViscoTec tilbyder eksempelvis dispensere med keramiske rotorer til udvalgte applikationer med abrasive materialer.
Excentersnekketeknologi er dog ikke nødvendigvis den optimale løsning til alle TIM-materialer.
Valget af doseringsteknologi afhænger blandt andet af materialets egenskaber, doseringsmængden, den ønskede flowhastighed og den samlede produktionsproces.
Forskellene mellem volumetrisk dosering og tids-/trykdosering behandles desuden i ViscoTecs artikel “Volumetrisk dosering vs. tids-/trykdosering – hvilken metode skal man vælge?”
Præcis dosering af abrasiv termisk pasta på printkort
I en anden dokumenteret ViscoTec-applikation skulle en meget højviskøs og abrasiv 1K-termisk pasta påføres printkort.
Formålet var at sikre præcis materialepåføring som led i den termiske styring af elektroniske komponenter.
Til opgaven blev der anvendt en ViscoTec 3RD8-dispenser med keramisk rotor kombineret med et tilhørende materialeforsyningssystem.
Under testen blev der opnået præcise doseringspunkter og ensartede materialestrenge uden dryp.
Samtidig blev dispenserens materialeflow tilpasset robottens bevægelseshastighed.
Applikationen demonstrerer betydningen af korrekt dimensionering og materialeforsyning. Den viser også, hvorfor doseringsudstyr og automatisering skal koordineres nøje.
Sådan reduceres dryp og ujævne materialestrenge
Ved automatiseret dosering af termisk pasta og gap fillers kan dryp, tråddannelse og ujævne materialestrenge skabe produktionsmæssige udfordringer.
Problemerne kan medføre materialespild, tilsmudsning og variationer i den påførte materialemængde.
Årsagerne kan være forskellige og skal ofte findes i samspillet mellem flere procesparametre.
Materialets flydeegenskaber, doseringsnålens dimensioner, trykforholdene og dispenserens stopfunktion kan alle påvirke resultatet.
Ved kontinuerlig materialepåføring er det desuden afgørende, at materialeflowet passer til robottens bevægelseshastighed.
Et for højt flow kan medføre brede eller ujævne materialestrenge, mens et utilstrækkeligt flow kan resultere i mangelfuld påføring.
Doseringsparametrene og robotbevægelsen bør derfor optimeres som en samlet proces frem for som separate funktioner.
Valg af doseringssystem kræver kendskab til materialet
Et stabilt doseringsresultat forudsætter et grundigt kendskab til både materialet og produktionskravene.
Ved valg af doseringssystem bør man blandt andet undersøge materialets kemiske sammensætning, viskositet og øvrige flydeegenskaber.
Fyldstofindhold, partikelstørrelse og abrasivitet har ligeledes betydning for valget af udstyr.
Derudover skal der tages højde for eventuel separation eller sedimentation samt behovet for materialeforsyning og afgasning.
På processiden er den ønskede doseringsmængde, flowhastighed, doseringsnøjagtighed og reproducerbarhed centrale parametre.
Kontaktfladernes geometri, den ønskede lagtykkelse, cyklustiden og produktionsvolumen skal også indgå i vurderingen.
Ved 2K-gap fillers kommer yderligere krav til blandingsforhold, pot life og blandekvalitet.
Først når disse forhold er belyst, er det muligt at vurdere, hvilken doseringsteknologi der passer bedst til applikationen.
Hele doseringsprocessen skal fungere sammen
Termisk pasta og gap fillers spiller en vigtig rolle i arbejdet med effektiv varmeafledning fra elektroniske komponenter.
Materialernes egenskaber kan imidlertid gøre dem vanskelige at håndtere i automatiserede produktionsmiljøer.
En præcis dispenser er derfor kun én del af en velfungerende løsning.
Materialeforsyning, afgasning, doseringsteknologi, doseringsnål, robotbevægelse og den efterfølgende samlingsproces skal fungere sammen for at sikre et stabilt resultat.
Hos ViscoTec Nordic arbejder man med præcisionsdosering af blandt andet højviskøse, højfyldte og abrasive materialer.
Virksomheden hjælper elektronikproducenter i Norden og Baltikum med at vurdere deres doseringsprocesser og gennemføre tests med konkrete materialer og applikationer.
For producenter, der oplever udfordringer med termisk pasta, gap fillers eller andre termisk ledende materialer, kan en praktisk doseringstest være et relevant udgangspunkt.
Ved at teste det faktiske materiale under realistiske procesforhold kan man skabe et bedre grundlag for at vælge en stabil og reproducerbar doseringsløsning.
Svogerslev Hovedgade 48
4000 Roskilde
Tlf.: +45 45828090
E-mail: info@viscotec-nordic.com
