Montagedruck und TIM-Bondline: So machen Sie es richtig

Von BQUQ Engineering Team Geprüft von BQUQ Quality Engineering 30.05.2025 Aufrufe ISO 9001:2015 zertifiziert

Montagedruck und TIM-Bondline: So machen Sie es richtig

Kurze Antwort: Streben Sie 10–50 psi (70–350 kPa) gleichmäßigen Druck über die thermische Schnittstelle an, wodurch die meisten Pads und Gap-Filler auf eine Bondline von 0,05–0,20 mm komprimiert werden. Unter etwa 10 psi schließen Sie Luft ein und das Pad behält seine volle Dicke; über etwa 50 psi wird das Material so dünn gepresst, dass die Schnittstelle unterversorgt wird, und es besteht die Gefahr, dass sich die Grundplatte wölbt oder der Die reißt. Der genaue Zielwert stammt aus dem TIM-Datenblatt, nicht aus Gewohnheit. Der Druck muss außerdem gleichmäßig sein – eine Wölbung der Grundplatte von 0,05 mm kann den effektiven Kontakt halbieren, selbst wenn die Gesamtkraft auf dem Papier korrekt aussieht.

Warum die Bondline wichtiger ist als die gewählte Paste

Ingenieure verbringen Wochen damit, zwischen Silikonpads, Phasenwechselmaterialien und Wärmeleitpasten zu wählen, und schrauben dann den Kühlkörper mit dem Drehmoment fest, das die Gehäusezeichnung bereits vorgab. Das ist verkehrt herum. Der Wärmewiderstand durch eine Schnittstelle wird von zwei Dingen dominiert: der Volumenleitfähigkeit des TIM und der Dicke, die sich nach der Montage einstellt.

Ein typischer Silikon-Gap-Filler mit 3 W/m·K Leitfähigkeit bei 0,20 mm ergibt etwa 0,067 °C·cm²/W Volumenwiderstand. Komprimieren Sie dasselbe Material auf 0,08 mm, sinkt der Volumenwiderstand auf etwa 0,027 °C·cm²/W. Sie haben gerade mehr Widerstand durch das Anziehen einer Schraube entfernt, als Sie durch ein Upgrade auf ein 6 W/m·K-Material bei der ursprünglichen Dicke erreicht hätten. Die Bondline ist das günstigste thermische Upgrade, das verfügbar ist – vorausgesetzt, Sie kontrollieren sie.

Es gibt jedoch eine Untergrenze. Jede Schnittstelle hat auch einen Kontaktwiderstand zwischen dem TIM und den beiden Oberflächen. Drücken Sie zu stark, wird Material vollständig aus der Kontaktzone verdrängt, sodass Metall sich über mikroskopische Hochpunkte dem Metall nähert und der Kontaktwiderstand steigt. Der optimale Punkt liegt dort, wo der Volumenwiderstand gesunken ist, aber noch eine vollständige Benetzung vorliegt.

Die drei Kompressionsbereiche

Bereich	Typischer Druck	Bondline	Was passiert	Ergebnis
Unterkomprimiert	< 10 psi	0,25–0,50 mm	Pad bleibt nahe der freien Dicke, Lufteinschlüsse bleiben	Hoher Widerstand, Hotspots
Zielfenster	10–50 psi	0,05–0,20 mm	Vollständige Benetzung, stabile Dicke	Niedrigster praktischer Widerstand
Überkomprimiert	> 50 psi	< 0,04 mm	Material extrudiert, Abdeckungslücken, Grundplattenwölbung	Widerstand steigt wieder, mechanisches Risiko

Diese Zahlen sind Richtwerte für gängige Pad- und Gap-Filler-Produkte. Entnehmen Sie die Kompressionskurve immer Ihrem spezifischen TIM-Datenblatt – einige Gap-Filler mit niedrigem Modul sind für 5 psi ausgelegt, und einige Phasenwechselfolien benötigen 30–70 psi.

Wie berechne ich die tatsächlich benötigte Montagekraft?

Druck ist Kraft geteilt durch Fläche, und die maßgebliche Fläche ist die TIM-Grundfläche, nicht der gesamte Kühlkörper. Eine Kontaktfläche von 40 × 40 mm entspricht 1600 mm² oder etwa 2,48 in². Bei 25 psi werden dafür etwa 62 lbf oder ungefähr 276 N benötigt.

Parameter	Beispielwert	Hinweise
Kontaktfläche	40 × 40 mm	Nur die mit TIM bedeckte Fläche
Zieldruck	25 psi (172 kPa)	Aus TIM-Datenblatt
Erforderliche Kraft	~276 N (62 lbf)	Druck × Fläche
Schrauben	4 × M3	Last auf Schrauben verteilt
Kraft pro Schraube	~69 N	Gleichmäßige Verteilung angenommen
M3-Drehmoment für 69 N	~0,25–0,35 N·m	Richtwert, abhängig von Reibung

Zwei Warnungen. Erstens: Schrauben teilen die Last nicht gleichmäßig, es sei denn, die Verbindung ist steif und die Reihenfolge korrekt – die erste angezogene Schraube trägt oft mehr als ihren Anteil. Zweitens: Federscheiben, Schulterschrauben oder Druckbegrenzer sind starrem Anschrauben deutlich vorzuziehen, da sie den Druck halten, wenn das TIM relaxiert und die Baugruppe thermisch zyklisiert.

Die Drehmomentreihenfolge ist nicht optional

Ziehen Sie in einem Kreuz- oder Sternmuster in mindestens zwei Stufen an: zuerst auf etwa 50 % des Enddrehmoments, dann auf 100 %. Bei langen rechteckigen Kühlkörpern arbeiten Sie von der Mitte nach außen. Eine einmalige, im Uhrzeigersinn verlaufende Reihenfolge auf einer 200 mm IGBT-Grundplatte kann eine Ecke bei 8 psi und die gegenüberliegende Ecke bei 45 psi hinterlassen – gleiche Gesamtkraft, halbe thermische Leistung.

Welche Ebenheit und Oberflächenbeschaffenheit benötige ich am Kühlkörper?

Druck erzeugt nur dort eine dünne Bondline, wo die Oberflächen tatsächlich nahe beieinander liegen. Wenn die Kühlkörperbasis um 0,10 mm eingesenkt ist, kann die Mitte der Schnittstelle 40 psi sehen, während die Ränder fast nichts sehen, und das TIM bleibt am Umfang dick.

Für die meisten Elektronikkühlungsanwendungen streben Sie an:

Ebenheit: 0,05 mm über die Kontaktfläche für Pads und Gap-Filler; 0,02–0,03 mm für Hochleistungs-IGBT- oder GPU-Schnittstellen mit dünnen Bondlines.
Oberflächenrauheit: Ra 0,8–1,6 µm ist ein praktikables Ziel. Sehr raue Oberflächen benötigen mehr TIM zum Füllen der Täler; spiegelpolierte Oberflächen können mit Wärmeleitpaste sogar schlechter abschneiden, weil sie weniger Material aufnehmen und die Schnittstelle unterversorgen.
Bearbeitungsspuren: fein, gleichmäßig, nicht gerichtet. Tiefe Werkzeugspuren erzeugen Leckpfade für niedrigviskose Wärmeleitpaste.

Hier spielt das Fertigungsverfahren eine Rolle. Strangpressprofile sind wirtschaftlich und entlang ihrer Länge konsistent, aber Strangpressen allein hält selten eine enge Ebenheit über eine breite Basis – das erfordert meist einen Bearbeitungsgang. Vollständig CNC-bearbeitete Basen bieten direkte Kontrolle über Ebenheit und Oberfläche, zu höheren Stückkosten. Viele Projekte verwenden einen stranggepressten Körper mit bearbeiteter Montagefläche, was einen guten Kompromiss aus Kosten und Leistung darstellt. Die Bandbreite der Optionen sehen Sie auf unserer Seite Kühlkörper.

Ändert der TIM-Typ den Zieldruck?

Ja, erheblich. Das Kompressionsverhalten eines Materials ist eine Materialeigenschaft.

TIM-Typ	Typische Bondline	Typischer Montagedruck	Hinweise
Wärmeleitpaste	0,02–0,08 mm	10–30 psi	Niedriger Modul, wird bei Zyklisierung herausgepumpt
Phasenwechselfolie	0,03–0,10 mm	20–50 psi	Wird bei Betriebstemperatur dünner
Weiches Gap-Filler-Pad	0,10–0,50 mm	5–20 psi	Sehr niedriger Modul, tolerant gegenüber Spalten
Standard-Silikonpad	0,10–0,25 mm	20–50 psi	Am häufigsten, gut charakterisiert
Gehärteter Wärmeleitkleber	0,05–0,15 mm	Kontaktdruck während der Aushärtung	Klebeverbindung ersetzt Befestigungselemente

Wärmeleitpaste benötigt weniger Druck, weil sie leicht fließt, aber sie wandert auch. Pads benötigen mehr Druck zum Benetzen, bleiben aber an Ort und Stelle. Kleber sind ein Sonderfall: Sie üben nur während der Aushärtung Druck aus, und die Bondline ist dann fixiert. Das wird ausführlicher in unserem Artikel zur Auswahl thermischer Schnittstellen behandelt.

Wie überprüfe ich die Bondline nach der Montage?

Sie können die Schnittstelle nicht sehen, also überprüfen Sie indirekt. Drei praktische Methoden:

1. Thermische Messung. Fahren Sie eine bekannte Leistungslast und messen Sie die Differenz zwischen Gehäuse und Kühlkörper. Vergleichen Sie mit Ihrem vorhergesagten Widerstand. Eine Differenz weit über der Vorhersage bedeutet meist schlechten Kontakt, nicht einen schlechten Kühlkörper.

2. Demontageinspektion. Zerlegen Sie ein Muster und betrachten Sie den TIM-Abdruck. Vollständige, gleichmäßige Abdeckung mit leichtem Herausquellen am Umfang ist korrekt. Fleckige Abdeckung bedeutet niedrigen Druck oder eine gewölbte Basis. Starkes Herausquellen mit sichtbarem Metall bedeutet Überkompression.

3. Druckfilm oder Passscheibe. Druckempfindlicher Film zwischen den Oberflächen zeigt die Druckverteilung direkt. Eine 0,05 mm dicke Passscheibe, die leicht herausrutscht, markiert eine Niederdruckzone.

Erstellen Sie einen kleinen Mustersatz bei 15, 30 und 45 psi, messen Sie jeden und tragen Sie das Ergebnis auf. Die meisten Designs zeigen ein klares Minimum irgendwo in der Mitte dieses Bereichs. Diese Kurve ist mehr wert als jede Faustregel.

Den gesamten thermischen Pfad berücksichtigen

Die Schnittstelle ist ein Widerstand in einer Kette. Wenn der Kühlkörper selbst unterdimensioniert ist, kann kein Montagedruck das Design retten. Es hilft, den gesamten Pfad zu modellieren – Spreizwiderstand, Wärmeleitung in der Basis, Konvektion der Lamellen –, bevor Sie die Schnittstelle optimieren. Unsere Erläuterung des Wärmewiderstandsnetzwerks zeigt, wie Sie diese Kette in messbare Teile zerlegen. Bei größeren Modulen verdienen Ebenheit der Grundplatte und Montagearchitektur eine eigene Betrachtung, wie in unseren Hinweisen zur IGBT-Modul-Grundplatte beschrieben.

Häufige Fehler, die die Bondline stillschweigend ruinieren

Drehmoment statt Druck vorgeben. Drehmoment ist ein Näherungswert. Gewindereibung variiert mit Beschichtung und Schmierung, sodass dasselbe Drehmoment zwischen zwei Chargen 20 % unterschiedliche Kraft ergeben kann.
Thermische Zyklisierung ignorieren. Pads relaxieren, Wärmeleitpaste wird herausgepumpt, und unterschiedliche Ausdehnung zwischen Aluminium und Kupfer verändert den Spalt. Federbelastete Montage hält den Druck deutlich besser als starres Anschrauben.
TIM-Dicke und Druckziele verwechseln. Ein Pad, das für 10 psi ausgelegt ist, erreicht seine Nennleistung nicht bei 40 psi.
Durch eine ungestützte Basis schrauben. Dünne Basen biegen sich zwischen den Schrauben durch. Fügen Sie Versteifungsrippen oder dickere Montageaugen hinzu.
Die Komponentenseite vergessen. Der Die, der Deckel oder die Grundplatte des Gehäuses sind ebenfalls Teil des Stapels. Ihre Ebenheit und Steifigkeit bestimmen die Obergrenze dafür, wie gleichmäßig Ihr Druck sein kann.

Wo Fertigungstoleranzen ins Spiel kommen

Zwei identische Kühlkörper von zwei Lieferanten können sich in derselben Baugruppe unterschiedlich verhalten, wenn ihre Ebenheit oder Oberfläche der Basis abweicht. Deshalb sollte die Zeichnung Ebenheit über die Kontaktfläche, Oberflächenrauheit und das Bezugssystem für die Messung festlegen – nicht nur die Gesamtabmessungen.

Bei BQUQ halten CNC-bearbeitete Basen ±0,005 mm bei kritischen Merkmalen und können auf 0,02–0,05 mm Ebenheit über die Montagefläche spezifiziert werden. Strangpressprofile bieten niedrigere Stückkosten für lange, einfache Geometrien, und wir bearbeiten die Schnittstelle dort, wo das thermische Budget es erfordert. Vier Produktionslinien in einer Fabrik in Dongguan decken Bearbeitung, Stanzen, Federn und Kühlkörpermontage ab, sodass Montagehardware und Kühlkörper gemeinsam statt isoliert qualifiziert werden können. Sehen Sie sich die bearbeiteten Optionen auf unserer Seite CNC-bearbeitete Kühlkörper und die Profiloptionen auf unserer Seite stranggepresste Kühlkörper an.

Senden Sie eine Zeichnung und einen Zieldruck, und wir erstellen ein Angebot in 12 Arbeitsstunden, mit flexibler Mindestbestellmenge für Prototypen- und Pilotbauten.

Häufig gestellte Fragen

F: Welcher Montagedruck ist für ein Wärmeleitpad geeignet?

A: Die meisten Standard-Silikonpads arbeiten am besten zwischen 20 und 50 psi, wobei sie auf etwa 0,10–0,20 mm komprimiert werden. Weiche Gap-Filler sind für niedrigere Drücke ausgelegt, oft 5–20 psi. Lesen Sie immer die Kompressionskurve im spezifischen TIM-Datenblatt, da der Modul zwischen Produkten stark variiert und das Optimum materialspezifisch ist.

F: Kann zu hoher Montagedruck die Kühlung verschlechtern?

A: Ja. Über etwa 50 psi hinaus werden viele Materialien aus der Kontaktzone herausgepresst, sodass an Hochpunkten blanker Metallkontakt und Abdeckungslücken entstehen. Der Volumenwiderstand sinkt nicht weiter und der Kontaktwiderstand steigt. Übermäßige Kraft wölbt außerdem dünne Grundplatten und kann die Komponente mechanisch belasten, sodass mehr Druck nicht automatisch besser ist.

F: Wie rechne ich Schraubendrehmoment in Montagedruck um?

A: Schätzen Sie die Kraft pro Schraube aus dem Drehmoment unter Verwendung des Gewindereibungskoeffizienten und teilen Sie dann die Gesamtkraft durch die TIM-Grundfläche. In der Praxis macht die Reibungsunsicherheit dies ungefähr. Druckempfindlicher Film oder eine Kraftmessdose an einer Musterbaugruppe liefert einen weit zuverlässigeren Wert, und Federscheiben helfen, diesen Druck über die Zeit zu halten.

F: Beeinflusst die Ebenheit des Kühlkörpers wirklich die thermische Leistung?

A: Ja, und oft stärker als die Materialwahl. Eine um 0,10 mm gewölbte Basis kann die Schnittstelle in der Mitte bei 40 psi und an den Rändern nahe null lassen, sodass das TIM dort dick bleibt, wo Sie es dünn benötigen. Die Spezifikation von 0,05 mm Ebenheit für Pads und 0,02–0,03 mm für Hochleistungsschnittstellen ist ein praktischer Ausgangspunkt.

F: Sollte ich Wärmeleitkleber anstelle mechanischer Montage verwenden?

A: Verwenden Sie Kleber, wenn die Verbindung klein ist, Vibrationen hoch sind oder Befestigungselemente unpraktisch sind. Kleber beseitigt das Problem der Druckhaltung, erschwert aber die Nacharbeit und legt die Bondline dauerhaft auf den Druck fest, den Sie während der Aushärtung ausgeübt haben. Für wartbare Hochleistungsbaugruppen ist mechanische Montage mit kontrolliertem Druck meist die bessere Wahl.

Montagedruck und TIM-Bondline: So machen Sie es richtig