Dosierung von Wärmeleitpasten

Perfekt dosiert

Aufgrund immer kleinerer Bauformen und höherer Leistungsdichten kommt einer gezielten Wärmeabfuhr auf der Leiterplatte oder thermisch hoch belasteten elektronischen Bauteilen eine steigende Bedeutung zu. Speziell im Automotive Bereich steigt die Kompaktheit der elektronischen Module kontinuierlich, da bei gleichbleibendem Verbauraum ein zunehmend höherer Umfang an elektronischer Funktionalität untergebracht werden muss. Die hohen Anforderungen an die Produktzuverlässigkeit können hierbei nur mit gezieltem Management der thermischen Einflussfaktoren erreicht werden (Bild 1).

Bild 1

Seitens der Materialhersteller werden für die kontrollierte Wärmeableitung an elektronischen Baugruppen spezielle, mit Füllstoffen und Additiven angereicherte, thermisch leitende Materialien wie z.B. wärmeleitende Klebstoffe, Vergussmassen oder Gap-Filler angeboten. Der Wärmetransfer erfolgt bei diesen Materialien dabei oft durch die Verwendung von Feststoffpartikeln (metallisch, keramisch oder organisch), die mit ihren Materialeigenschaften die Wärmeleitfähigkeit für das Medium insgesamt gezielt erhöhen.

Diese Partikel führen bei den Wärmeleitpasten allerdings in Folge zu stark abrasiven Eigenschaften. Die Feststoffpartikel müssen bei der Dosierung als Bestandteile des Mediums mit transportiert werden, stellen aber hinsichtlich mechanischer Belastung und Verschleiß ungleich höhere Anforderungen an die Materialzuführungs- und Dosiersysteme im Vergleich zur Dosierung rein pastöser, ungefüllter Medien. Des Weiteren weisen Wärmeleitpasten eine sehr hohe Dichte von bis zu 4 g/cm³ auf, so dass beim Materialtransport aufgrund der erforderlichen hohen Beschleunigungsmomente eine kontinuierlich arbeitende Dosiertechnologie erhebliche Vorteile hinsichtlich mechanischer Beanspruchung und letztendlich der Dosiergenauigkeit gegenüber einfacheren Systemen bietet.

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Darüber hinaus ist es bei der Dosierung von Wärmeleitpaste erforderlich, ein Sedimentieren der Füllstoffe und das Entmischen von Bindemittel und den eingesetzten Funktionsmaterialien der Pasten zu verhindern, um gleichbleibende Produkteigenschaften für einen qualitativ hochwertigen Prozess zu gewährleisten. Dieser Effekt der Sedimentation ist in Bild 2 dargestellt. Der Sedimentationseffekt kann in einer Dosieranlage in erster Linie ebenfalls durch einen gleichmäßigen Materialtransport unter Vermeidung von Druckschwankungen und auf einem generell niedrigen Druckniveau verhindert werden.

Zusätzliche Anforderungen an die Verfahrenstechnik bestehen beim Pastenauftrag an gefügten Bauteilen mit Ober- und Unterteil zur Erreichung einer durchgängigen Übergangsfläche für die Wärmeableitung und speziell einer optisch einwandfreien Verbindung ohne Materialüberstände, da es sich bei den Fügestellen vielfach um sichtbare Komponentenbereiche handelt. Gefordert ist für diese Anwendung ein exakter, gleichmäßiger Raupenauftrag während des Dosierprozesses und ein qualitativ einwandfreier Dosierraupenschluss (Bild 3).

Die Dosieraufgabe stellt in einem automatisierten, produktionsrelevanten Umfeld insgesamt Anforderungen, die über die Möglichkeiten konventioneller Technologien hinausgehen. Im Ergebnis muss auch für diese Anwendungen die Prozessstabilität zur Einhaltung der Produktqualität und die Wirtschaftlichkeit gegeben sein. Zur Dosierung sind beispielsweise Kolbenpumpen ungeeignet, da die Gesamtreibungseffekte durch die zweistufigen Saug- und Druckschritte erhöht sind. Außerdem fördert die durch den Kolbenhub entstehende Druckpulsation die Sedimentation im Medium während des Dosierprozesses.

Auch bei Zahnradpumpen treten bauartbedingt massiv Reibungseffekte auf. Erforderlich ist eine Technologie die den Dosiervorgang mit geringer mechanischer Reibung zwischen den Feststoffpartikeln des Mediums und den Funktionsbauteilen der Dosierpumpe ermöglicht.

Für den Auftrag von Wärmeleitpasten hat sich daher das von ViscoTec angewandte Endloskolbenprinzip als geeignete Technologie erwiesen, um den genannten hohen Anforderungen für diesen Prozessschritt umfangreich gerecht zu werden. Bei der von ViscoTec angebotenen Technologie handelt es sich um ein volumetrisches und hoch dynamisches Dosierprinzip, das auch bei anspruchsvollen Prozessen hohe Dosiergenauigkeiten zur Verfügung stellt. Die besondere Dosiergeometrie garantiert einen pulsationsfreien Förderstrom und minimale Reibungsflächen an den Komponenten. Durch das Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator entstehen abgeschlossene Kammern mit identischen Volumina, die sich auch während des Dosierprozesses nicht verändern. Dadurch ist es möglich, feststoffbeladene Medien sehr scherarm und mit der für die Verschleißfestigkeit geforderten geringen Reibung zu dosieren. Das Medium wird hierbei von der Saug- zur Druckseite der Pumpe gefördert und folgt auf Basis einer Dosiergeometrie ohne Hinterschneidungen und einem minimalen Totraumenvolumen einem gleichmäßigen und kontinuierlichen Bewegungsstrom in einer Richtung.

Die Dosiermenge wird drehzahlproportional über den Antrieb geregelt und ist somit stufenlos einstellbar sowie absolut pulsationsfrei. Zwischen Rotor und Stator bildet das Pumpensystem eine mehrdimensionale Dichtlinie. Deshalb benötigt das System keine zusätzlichen Ventile, so dass die Anzahl der einem potentiellen Verschleiß ausgesetzten Komponenten auf ein Minimum begrenzt bleibt. Als Statormaterial steht eine Auswahl an chemisch sehr beständigen Elastomeren zur Verfügung. Die Dosierpumpen können daher für die unterschiedlichsten Medien optimal ausgelegt werden.

Der gleichmäßige Volumenstrom vermindert die durch das Medium hervorgerufenen und in Folge auf die Dosierkomponenten wirkenden Beschleunigungsmomente in erheblichem Umfang, so dass mit den ViscoTec-Systemen auch Medien mit hohen Materialdichten prozesssicher verarbeitet werden können.

Die Systeme werden im Niederdruckbereich betrieben und unterbinden durch den kontinuierlichen Förderstrom Druckschwankungen im System. Mit dieser Technologie wird Sedimentationseffekten entgegengewirkt und zugleich eine gleichmäßige Verteilung der Feststoffpartikel nach dem Pastenauftrag sichergestellt. Der geforderte genaue und gleichmäßige Raupenauftrag bei Pasten in Verbindung mit Fügeprozessen von Teilen ist durch die gegebene Technologie ebenfalls gewährleistet.

Durch die Möglichkeit von Geschwindigkeitsrampen bei der Ansteuerung des Dispensers kann das Dosiervolumen pro Zeiteinheit am Raupenanfang und -ende exakt gesteuert werden, so dass ein präziser und wiederholgenauer Raupenanschluss erreicht werden kann. Diese Genauigkeit bleibt insbesondere auch bei der Verwendung kleiner Dosiernadeldurchmesser, auch in Verbindung mit Materialien mit hohen Viskositäten, erhalten. Der Dosiernadeldurchmesser beeinflusst unmittelbar den Dosierdruck, der gleichzeitig auch als Gegendruck zum Dosiervorgang wirkt. Das Endloskolbenprinzip als rein volumetrisches Dosierverfahren stellt am Dosierausgang dabei immer unabhängig von Gegendruck und Viskositätsschwankungen des Mediums exakt das eingestellte Dosiervolumen zur Verfügung.

Das Endloskolbenprinzip von ViscoTec findet neben der Anwendung bei den Dispensersystemen auch bei den Materialentnahme- und Aufbereitungssystemen Anwendung. Damit wird bei ViscoTec über den Gesamtprozess von der Materialentleerung bis zum Dosierprozess hinweg eine einheitliche und qualitativ hochwertige Verarbeitung von Wärmeleitpasten mit der dargestellten Technologie gewährleistet. Die hohe Verschleißfestigkeit wird über die Gesamtanlage sichergestellt, so dass eine hohe Verfügbarkeit für ein Gesamtsystem in der Produktion gegeben ist.

Autor:
Christian Heidinger

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