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Kontaktwiderstand: der Widerstand ohne Katalogwert

Wenn zwei Flächen sich berühren, geht die Wärme nicht ungehindert hindurch. In Baugruppenstapeln ist dies oft der bestimmende Anteil des Gesamtwiderstands.

Sie berechnen den Wärmepfad zwischen Kühlkörper und Bauteil; die Leitfähigkeiten der Werkstoffe sind bekannt, die Geometrie ist bekannt — und das Ergebnis weicht deutlich von der Messung ab. Was meist fehlt, ist der Kontaktwiderstand.

Warum es ihn gibt

Keine Oberfläche ist wirklich eben. Werden zwei Flächen zusammengepresst, ist die wirkliche Kontaktfläche ein kleiner Bruchteil der scheinbaren; die Zwischenräume sind mit Luft gefüllt (oder mit einem Wärmeleitmaterial). Die Wärme muss durch diese engen Kontaktpunkte, und das erzeugt einen Widerstand.

Der Widerstand hängt ab von Rauheit und Ebenheit der Oberflächen, vom Anpressdruck, von der Werkstoffhärte sowie von Leitfähigkeit und Dicke des Zwischenmaterials.

Ein Gefühl für die Größenordnung

Der Wärmewiderstand einer dünnen Metallwand ist meist vernachlässigbar; der Widerstand einer Kontaktstelle in derselben Baugruppe kann ein Mehrfaches dieser Wand betragen. Den Festkörper im Detail zu lösen und den Kontaktwiderstand zu vernachlässigen verwendet die Genauigkeit daher an der falschen Stelle.

Das Zwischenmaterial sollte dünn sein

Wärmeleitpaste oder ein Pad leitet weit besser als Luft, aber weit schlechter als Metall. Die ideale Dicke ist daher die dünnste, die die Zwischenräume noch füllt. Zu viel Paste erhöht den Widerstand — ein häufiger und unanschaulicher Fehler.

Modellierung

Der Kontaktwiderstand wird unmittelbar als Wärmewiderstand an der Grenzfläche zwischen zwei Bereichen definiert; diese Definition gehört in jede konjugierte Analyse, die einen Festkörper löst. Siehe die Notiz zur konjugierten Wärmeübertragung.

Der Wert stammt aus der Literatur oder aus Herstellerdaten, und seine Unsicherheit ist groß. Richtig ist, zwei plausible Extremwerte zu rechnen und zu berichten, wie weit sich das Ergebnis verschiebt. Hängt die Temperatur des Hotspots stark von diesem Wert ab, ist das ein Entwurfsrisiko und sollte genannt werden.

Referenzen

  1. JEDEC Solid State Technology Association. JESD51 — Methodology for the Thermal Measurement of Component Packages (Single Semiconductor Device).
  2. Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605

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