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29. März 2011PSI, 29. März 2011PSI,

Paul Scherrer Institut

Mechanische Konstruktionsstudie in Bezug auf Temperatur und Vakuum

Ruder Christian, Schädler Lukas

29. März 2011PSI, 29. März 2011PSI, Seite 2

Ablauf• Klebstoffe

– Allgemeiner Vergleich (Handhabung)– Wärmeleitfähigkeit

• Wärmeübertragung im Vakuum• Temperaturuniformität

Klebstoffe - Allgemeiner VergleichZiel:Finden eines geeigneten Klebstoffs zum:

– Kleben vom HDI auf den Modulhalter– Kleben vom Sensor-Chip-Modul auf das HDI

Anforderungen:– Thermisch leitend– Elektrisch isolierend– Kurze Aushärtungszeit– Geringe Härte im ausgehärteten Zustand– Gute Verarbeitungseigenschaften

Versuchsmaterialien:– Wärmeleitende Klebstoffe (Epo-Tek H70E, H70E-2, H72E, T7109-18)– „Standart“ Klebstoffe (Araldit 2011, 2012)

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Klebstoffe - Allgemeiner VergleichErgebnis:

H70E H70E-2 H72 T7109-18 2011 2012Thermische Leitfähigkeit [W/m·K] 0.9 1 0.6 0.2 ?1) ?1)

Elektrischer Widerstand [Ω·cm] 1·1013 8·1012 1·1013 5·109 >1·109 >1·109

Härte [Shore D] 83 65 88 20 30-40 30-40Aushärtungszeit bei Raumtemp. - - - 24h @ 23°C 10h @ 23°C 1h @ 23°CAushärtungszeit 90min @ 80°C 90min @ 80°C 120min @ 80°C 120min @ 80°C 45min @ 60°C 10min @ 60°CVerarbeitung2) Gut Gut Mässig Gut - Mässig Mässig Schlecht

AralditEpo-Tek

1) Kein relevanter Unterschied zu den Epo-Tek Klebern feststellbar2) Einschätzung in Bezug auf Mischverhältnis, Pot-Live, Handhabung, Verarbeitbarkeit

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Klebstoffe - WärmeleitfähigkeitZiel:Vergleichen der Klebstoffe betreffend der Wärmeleitung bei Normaldruckund im Vakuum

Anforderungen:– Thermisch leitend– Elektrisch isolierend– Gute Verarbeitungseigenschaften

Versuchsmaterialien:– Wärmeleitende Klebstoffe (Epo-Tek H70E, H70E-2, H72E, T7109-18)– „Standart“ Klebstoff (Araldit 2012)

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Klebstoffe - WärmeleitfähigkeitAufbau:

Wasser-kühlung

AluminiumplatteAluminiumträgerplatte

Heizwiderstand (PV = 5.1W)

Temperatursensor

Wasser-kühlung

Temperatursensor

KlebstoffAluminiumträgerplatte

Kühlwassertemperatur 20°C

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Klebstoffe - WärmeleitfähigkeitErgebnis:

0123456789

10

Epo-TekH70E

Epo-TekH70E-2

Epo-TekH72

Epo-TekH7109-

18

Araldite2012

3M 8805(0.1mm)

ΔT

[°C

] LuftVakuum

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Wärmeübertragung im VakuumZiel:Finden eines geeigneten Stoffes zur Wärmeübertragung im Vakuum

zwischen:– PCB‘s und Mechanik– Div. mechanischen Teilen

Anforderungen:– Thermisch leitend– Elektrisch isolierend– Gute Verarbeitungseigenschaften

Versuchsmaterialien:– Wärmeleitpads– Wärmeleitpaste– Diverses

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Wärmeübertragung im VakuumAufbau:

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Wärmeübertragung im VakuumErgebnis:

0

5

10

15

20

25

30

35

40

GapPad

(0.5m

m)

GapPad

(1.0m

m)

GapPad

(1.5m

m)

GapPad

(3.0m

m)

3M 88

05 (0

.1mm)

3M 55

95 (1

.0mm)

Tgard

500 (

0.2mm)

HTCP (Pas

te)

WLPG (P

aste)

Indium

(0.1m

m)

Kapton

(0.1m

m)

PTFE (1.0m

m)

direk

t (0.0m

m)

ΔT

[°C

] LuftVakuum

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TemperaturuniformitätZiel:Überprüfen der Temperaturuniformität auf einem Eiger-Modul bei Normaldruck und im Vakuum

Anforderungen:– Temperaturuniformität ~ 3°C– Absoluttemperatur < 30°C

Aufbau:

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Temperaturuniformität

Aufbau:

29. März 2011PSI, 29. März 2011PSI, Seite 12

Temperaturuniformität

Ergebnis:

29. März 201129. März 2011 Seite 13