Wenn Sie nach „pad thermal“ suchen, finden Sie Ergebnisse zu Wärmeschnittstellenmaterialien (TIMs), zu Exposed Pads an IC-Gehäusen und zu thermischen Entlastungspads im PCB-Design. Die Verwirrung ist verständlich – der Begriff „thermal pad“ bedeutet je nach Ingenieurkontext etwas anderes.
Dieser Artikel schafft Klarheit. Egal, ob Sie zwischen Wärmeleitpad und Wärmeleitpaste wählen, mit Exposed Thermal Pads unter ICs arbeiten oder Lötbarkeit bei großflächigen Masseflächen verbessern möchten – hier finden Sie die passende Entscheidungshilfe.
Wärmeleitpads als TIM (Thermal Interface Materials)
Ein Wärmeleitpad (Pad Thermal) ist ein weiches, wärmeleitfähiges Material, das zwischen eine wärmeerzeugende Komponente und einen Kühlkörper bzw. das Gehäuse gelegt wird.
Zweck: mikroskopische Luftspalte füllen und Oberflächenkontakt verbessern, damit Wärme effizient zur Kühlfläche abgeführt wird.
Luft leitet Wärme schlecht. Selbst glatte Oberflächen besitzen Unebenheiten, die Luft einschließen und den thermischen Widerstand erhöhen. Ein Wärmeleitpad verformt sich leicht unter Druck, ersetzt die Luft durch ein besser leitendes Material und schafft so einen konstanten, zuverlässigen Wärmefluss.
Typische Anwendungen
- CPUs, GPUs und VRMs
- Spannungsregler und Wandler
- LED-Module und Treiber
- Steuergeräte im Automobil
- Industrie- und Telekom-Leistungselektronik
Gängige Arten von Wärmeleitpads
- Silikonpads – am weitesten verbreitet; flexibel, elektrisch isolierend, solide Wärmeleistung.
- Graphit-/Kohlenstoffpads – sehr dünn und hochleitfähig, benötigen jedoch plane, saubere Flächen; meist nicht elektrisch isolierend.
- Silikonfreie Pads – für optische Systeme, Sensorik oder Medizintechnik, wo Siloxan-Ausgasung stören kann.
Wichtige Pad-Thermal-Spezifikationen
1) Wärmeleitfähigkeit (W/m·K)
Je höher, desto besser – aber die reale Leistung hängt ebenso von Oberflächenebenheit, Kompression und Anpressdruck ab. In der Praxis kann ein gut angepasstes 5-W/m·K-Pad ein schlecht montiertes 10-W/m·K-Pad übertreffen.
2) Dicke vs. Spalt
Der verbreitete Irrtum „dicker ist besser“ gilt nicht: Mehr Dicke = mehr interner Wärmewiderstand.
Wählen Sie das dünnste Pad, das den mechanischen Spalt mit leichter Kompression füllt – typischerweise 10–20 % über dem gemessenen Spaltmaß.
3) Härte und Kompressibilität
Weiche Pads passen sich Unebenheiten besser an, können aber stärker nachgeben. Härtere Pads behalten ihre Form, verlangen jedoch glattere Flächen. Für den Alltagsgebrauch eignet sich oft mittlere Härte (Shore 00 ca. 40–60).
4) Elektrische Isolation und Temperaturbereich
Liegt das Pad zwischen leitenden Teilen, prüfen Sie die Durchschlagsfestigkeit (typisch > 3 kV/mm). Achten Sie zudem auf den Betriebstemperaturbereich – in Automotive/Leistung häufig 125–150 °C.
Wärmeleitpad vs. Wärmeleitpaste – was ist besser?
Beide verbessern die Wärmeübertragung zwischen Bauteil und Kühlkörper – unterscheiden sich jedoch in Leistung, Konstanz und Wartung.
Schnellvergleich
- Applikation: Pad vorgeschnitten und sauber; Paste erfordert sorgfältiges Auftragen.
- Spaltüberbrückung: Pad mittel bis hoch; Paste nur für sehr kleine, plane Spalte.
- Reproduzierbarkeit: Pad sehr konsistent; Paste abhängig von Person/Prozess.
- Wiederverwendung: Pad oft wiederverwendbar, wenn intakt; Paste muss entfernt und neu aufgetragen werden.
- Elektrische Isolation: Pad meist isolierend; Paste in der Regel nicht.
- Thermische Spitzenleistung: Paste mit geringerem Widerstand (ideal für CPUs).
- Wartung: Pad einfach; Paste aufwendiger/„schmutziger“.
Sind Wärmeleitpads besser als Paste?
Kommt auf den Anwendungsfall an.
Pad wählen, wenn:
- Ungleiche Flächen oder größere Spalte vorhanden sind,
- elektrische Isolation benötigt wird,
- saubere, reproduzierbare Montage wichtig ist,
- Langzeitstabilität zählt (kein Austrocknen/Pump-Out).
Paste wählen, wenn:
- Flächen sehr plan und Spalt sehr klein ist,
- maximale Wärmeleitfähigkeit gefordert ist,
- präzise Applikation und Wartung möglich sind.
Kurzfassung:
Pads sind sauberer, konsistenter und produktionstauglicher; Paste liefert minimal bessere Temperaturen, wenn die Mechanik ideal ist.
Häufige Fehler
- Zu dickes Pad (führt zu höherer Temperatur).
- Zu wenig Anpressdruck → schlechter Kontakt.
- Verwechslung von Wärmeleitpad, Klebe-Pad und zweiseitigem Thermoband.
- Paste einsetzen, wo ein Pad besser passt (z. B. VRAM oder Leistungs-ICs).
IC-Package-Thermal-Pads (Exposed Pads)
Viele SMD-Gehäuse wie QFN/DFN besitzen unten eine große Metallfläche – das Exposed Thermal Pad (die pad).
Diese Fläche muss auf der Leiterplatte verlötet werden, um Wärme sicher abzuführen und mechanische Stabilität zu gewährleisten.
Warum ist das wichtig?
Das Exposed Pad bildet einen wärmearmen Pfad vom Silizium zum Kupfer des PCBs.
Ohne Lötung entstehen Luftspalte → schlechtere Wärmeleitung, mögliche Ausfälle/thermische Drift. Datenblattangaben zur thermischen Resistenz setzen stets korrekt verlötete Pads voraus.
Elektrische Anbindung
Datenblatt genau prüfen: Oft ist das Pad intern an GND gebunden, teilweise jedoch an andere Netze oder „floating“. Keine Annahmen treffen – Fehlanbindung kann Kurzschlüsse oder EMV-Probleme verursachen.
PCB-Design-Tipps
- Pad-Größe: Leiterplatten-Land an die Package-Angabe anpassen.
- Thermovias: Kleine Vias (≤ 0,3 mm) unter dem Pad einsetzen, um Wärme in Innen-/Rückseitenebenen zu leiten.
- Schablonendesign: Pad nicht fluten; Window-Pane-Muster verwenden, damit das Bauteil beim Reflow nicht „aufschwimmt“.
- Void-Kontrolle: Lunker möglichst < 50 % halten, um guten thermischen Kontakt sicherzustellen.
Ein korrekt verlötetes Exposed Pad kann den Junction-to-Board-Widerstand nahezu halbieren.
Thermische Entlastungspads auf PCBs (Thermal Relief)
Große Kupferflächen (z. B. Masseebenen) erschweren das Löten, da sie Wärme stark abführen.
Direkt angebundene Pads erreichen schwer die Reflow-Temperatur. Thermal-Relief-Pads verbinden das Pad über schmale Speichen mit der Fläche.
Funktionsweise
Die Speichen reduzieren den Wärmefluss in die Ebene während des Lötens, sodass das Pad schneller aufheizt.
Nach dem Löten bleibt eine elektrisch/thermisch ausreichende Verbindung – nicht so leitfähig wie eine Vollanbindung.
Wann einsetzen?
- THT-Pads, die an GND/Power-Planes hängen
- Wellen- oder Handlöten
- Zur Vermeidung von kalten Lötstellen, Tombstoning und ungleichmäßiger Erwärmung
Wann vermeiden?
- Hochstrom- oder niederimpedante Pfade (zusätzlicher Widerstand)
- HF-Schaltungen, in denen die Speicheninduktivität stört
- Leistungsbauteile, die auf massive Kupferanbindung zur Wärmeabfuhr angewiesen sind
FAQ
Sind Wärmeleitpads besser als Wärmeleitpaste?
Pads bieten bessere Montagekonstanz und Isolation. Paste liefert etwas niedrigere Temperaturen, wenn die Flächen perfekt plan sind.
Kann man Wärmeleitpads wiederverwenden?
Mitunter, wenn sie unbeschädigt bleiben. Für konstante Ergebnisse empfiehlt sich beim erneuten Zusammenbau der Austausch.
Was ist ein IC-Thermal-Pad?
Die freiliegende Metallfläche unter manchen ICs (z. B. QFN), die zur Wärmeabfuhr – und teils zum Erdungskontakt – auf die Leiterplatte verlötet werden muss.
Was ist ein Thermal-Relief-Pad im PCB-Design?
Ein Pad, das über schmale Kupferspeichen an eine Fläche angebunden ist, um beim Löten den Wärmeabzug zu begrenzen und die Lötbarkeit zu verbessern.
Warum ist das Löten von Pads an einer Massefläche schwierig?
Die große Kupferfläche wirkt als Wärmesenke. Thermische Entlastungspads helfen, die Löttemperatur zu halten.
Fazit
Der Begriff „Pad Thermal“ umfasst drei zentrale Bereiche:
- Wärmeleitpads (TIMs) regeln den Übergang zwischen Bauteil und Kühlkörper.
- Exposed Pads eines ICs leiten die Wärme in die Leiterplatte.
- Thermal-Relief-Pads verbessern die Lötbarkeit bei großflächigen Kupferanbindungen.
Wer diese Unterschiede versteht, entwirft Systeme mit besserer thermischer Performance und höherer Herstellbarkeit.
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