TIM-Tester

TIM-Tester

Thermischer Widerstand Rth und Wärmeleitfähigkeit λ von Materialien
Der TIM-Tester ist ein vom ZFW entwickelte Prüfapparatur zur Untersuchung von Wärmeleit- und Dämmmaterialien, wie bspw. Gap-Fillern oder -Pads, Klebstoffen und Folien, etc. Des Weiteren können Substrate wie auch Feststoffe thermisch analysiert werden. Angefangen hat die Entwicklung des Geräts 2012 und wird seither stetig weiterentwickelt und verbessert.

Der TIM-Tester hat sich inzwischen auf dem Markt etabliert. Vor allem für die Untersuchung von Gap-Fillern wird das Prüfgerät in vielen namenhaften Konzernen eingesetzt.

Der Prüfstand ermöglicht die präzise Messung des (effektiven) thermischen Widerstandes Rth einer Probe. Durch die hochgenaue Auflösung der Spaltmessung (Messung der Schicht- bzw. Probendicke) kann damit ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit λ des Materials sehr genau bestimmt werden.
Durch die Messung unterschiedlicher Schichtdicken ist es möglich, die Kontaktwiderstände zwischen Wärmeleitmaterial und den Aluminiumprüfflächen des Geräts zu bestimmen. Allgemein gibt es im TIM-Tester mehrere Messmodi, je nachdem, was für Material untersucht wird: Für niederviskose Proben kann der thermische Widerstand bzw. die eff. Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit des Spaltes (Schichtdicke) drucklos vermessen werden, wohingegen für festere Materialien der thermische Widerstand in Abhängigkeit der Anpresskraft bestimmt wird.
Messungen erfolgen allgemein mit der stationären Zylindermethode nach ASTM D5470, was sich als das Standardprüfverfahren für die Wärmeübertragungseigenschaften von wärmeleitenden elektrischen Isolationsmaterialien etabliert hat.

Zusammenfassung:
  • Hochgenaue Messung des thermischen Widerstandes
  • Messung der eff. Wärmeleitfähigkeit dank präziser Spaltmessung
  • Bestimmung des Kontaktwiderstandes zwischen Wärmeleitmaterial und Aluminiumprüfflächen
  • Druck- oder spaltabhängige Messungen möglich
  • Messung erfolgt mit der stationären Zylindermethode nach ASTM D5470

Kompressions- und Expansionsuntersuchungen (Delaminations-Test)

Die mechanischen Eigenschaften eines TIMs haben einen direkten Einfluss auf dessen thermisches Verhalten. Im Betrieb kommt es aufgrund thermischer Ausdehnung häufig zu einer mechanischen Belastung des TIMs. Diese im Realfall stattfindende thermisch induzierte Spaltänderung zwischen Wärmequelle- und senke kann im ZFW TIM-Tester mechanisch nachgestellt und dynamisch untersucht werden.

Geprüft werden können bspw. klassische 2K-Gap-Filler bei vorgegebenen Randbedingungen, abgeleitet aus der jeweiligen Einbausituation, wie Spaltdicke, Probenmitteltemperatur, Amplitude, Richtung der Spaltänderung sowie deren Frequenz. Wird der Spalt verringert, findet eine Kompression des Materials statt. Bei größer werdendem Spalt wird das Material gestreckt, was häufig zu Ablöseerscheinungen an den Messzylinderoberflächen führt. Hier spricht man von "Delamination".

Während der Untersuchung werden die thermischen (thermischer Widerstand und eff. Wärmeleitfähigkeit) sowie mechanische Eigenschaften (Spalt und Kraft) des TIMs kontinuierlich aufgezeichnet. Als Ergebnis können qualitative sowie quantitative Aussagen über die Änderung der thermischen und mechanischen Eigenschaften des TIMs in Abhängigkeit der Zyklenzahl bzw. der Lebensdauer getätigt werden.

Beispiel eines Delaminationstests:

Durch eine Vergrößerung des Spalts kommt es zum Aufbau von Zugkräften an der Probengrenzfläche. Werden diese Kräfte zu groß, folgt adhesives Versagen, sodass sich die Probe von der Grenzfläche ablöst, was zu einer schlechteren Kontaktierung und starken Erhöhung des thermischen Widerstandes führt. Die sinkende Fähigkeit zur Wärmeleitung hätte im realen Bauteil häufig das thermische Versagen zur Folge.
Durch die Untersuchung kann genau bestimmt werden, bei welchen Kräften oder Spaltwerten es zu einer Ablösung des TIMs kommt, um so thermischem Versagen durch eine temperaturinduzierte Spaltänderung entgegenwirken zu können.

Inplane-TIMTester

Der Inplane-TIMTester ermöglicht die Messung der Wärmeleitfähigkeit von Graphit-Folien in der Ebene. 
Das Prinzip beruht auf einer stationären, ringförmigen Wärmeeinprägung mit kontaktloser Temperaturmessung via hochauflösender IR-Kamera.

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