Wärmeleitfähiger Kunststoff – Wie innovative PlastFormance-Technologie Metall ersetzen kann

Der Mythos: Ein wärmeleitfähiger Kunststoff ist abrasiv, teuer und schwer zu verarbeiten?

 

Die Lösung dieser Herausforderungen liegt in der richtigen Technologie!

 

In diesem Artikel können Sie herausfinden, wie modernste Wärmeleitkunststoffe mit elektrischer Isolierung die ideale Kombination aus Leistungsfähigkeit, Spritzgussfähigkeit und Systemkosten liefern.

 

Wärmeleitfähiger Kunststoff und seine Einsatzgebiete

Der allgemeine Trend in der Elektronik ist die Miniaturisierung von elektronischen Komponenten und Baugruppen, bei immer höheren Rechenleistungen. Die Leistungsdichte steigt, wodurch die Wärmeentwicklung im Bauteil zum limitierenden Faktor für die Lebensdauer wird. Die erhöhte Hitzeentwicklung hat zur Folge, dass Thermomanagement ein immer wichtigeres Thema für den Konstrukteur von zu kühlenden Baugruppen wird. Ein wärmeleitfähiger Kunststoff bietet sich nur an, wenn die Baugruppe effizient entwärmt werden kann.

In der Regel werden Kühlkörper nach heutigem Stand immer noch weitestgehend aus Metallen, wie beispielsweise Aluminium hergestellt. Der Nachteil besteht in der fehlenden isolierenden Eigenschaft, was den Einsatz von teuren, schlecht wärmeleitfähigen Interface-Materialien zur elektrischen Isolierung erfordert.

Ein wärmeleitfähiger Kunststoff mit gleichzeitiger elektrischer Isolierung kann die Systemkomplexität deutlich reduzieren. Durch die Auswahl geeigneter Füllstoffe können Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung in einem thermische leitenden Kunststoff vereinigt werden. Somit können eine Mehrzahl der Komponenten, zum Beispiel eines Kühlkörpers, in ein Bauteil integriert werden. Die Innovation in der PlastFormance Technologie besteht in der Realisierung extremer Füllgrade im wärmleitfähigen Kunststoff, bei gleichzeitigem Erhalt der Spritzgussfähigkeit. Die ausgewählte, isometrische Partikelmorphologie ermöglicht eine Wärmeleitfähigkeit in alle Raumrichtungen.
 
Kühlkörper

Materialanforderungen an Kühlkörperbauteile

Hauptaufgabe eines Kühlkörpers ist die Wärmeabfuhr von wärmeproduzierenden Bauteilen. Hierzu muss zunächst der Wärmestrom vom Emittenten über den gesamten Wärmeleitpfad zum Kühlkörper gelangen. Sowohl der innere thermische Widerstand, als auch die Wärmeübergangswiderstände addieren sich dabei auf. Durch die Konvektion wird die abgeleitete Wärme schließlich an die Umgebungsluft abgegeben. Hierbei bedeutet eine größere Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Abgabemedium (Luft, Wasser) eine effizientere Entwärmung.

Der innere thermische Widerstand, der Wärmeübergangswiderstand und die Gesamtzahl der benötigten Zwischenschichten haben folglich eine entscheidende Rolle bei der gesamten Baugruppe. Doch auch Bauteilgeometrie und -ausrichtung sind nicht zu vernachlässigende Parameter bei der Effizienz von Kühlkörpern.

 

Wärmeleitung in elektronischen Baugruppen

Die optimale Wärmeabfuhr ist unter anderem durch eine Minimierung der Komponenten des Kühlkörpers zu erreichen. Jedes Bauteil besitzt einen spezifischen Wärmewiderstand, wodurch der Gesamtwärmeleitpfad beeinflusst wird (siehe Abbildung 1).

Auch Thermal Interface Materialien (TIMs) beeinflussen in kontraproduktiver Weise die Wärmeableitung. Als elektrischer Isolator, besitzen sie meist eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und bilden das Nadelöhr im Wärmeleitpfad.
Wärmeleitpfad im LED-Kühlkörper

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Wärmeleitpfades eines LED-Kühlkörpers

(in Anlehnung an [1])

Der gesamte Wärmleitpfad setzt sich wie folgt aus allen addierten Wärmewiderständen zusammen. [1]
Wärmeleitpfad aus addierten Wärmewiderständen

Gegenwärtig verwendete Materialien

 
Aufgrund der geringen Dichte und hohen Wärmekapazität findet hauptsächlich Aluminium in heutigen Kühlkörpern seine Anwendung. Obwohl Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat, wird Aluminium wegen seiner einfacheren und günstigeren Produktion im Vergleich zu Kupfer verwendet.
Wärmeleitfähiger Kunststoff

Abbildung 2: PlastFormance Kühlkörper

Die Kühlkörper werden meist im Strangpressverfahren oder mittels Aluminium-Druckguss gefertigt. Bei beiden Verfahren existieren Einschränkungen in der Designfreiheit der Bauteile. Während im Strangpressverfahren nur lineare Geometrien realisierbar sind, muss beim Aluminium-Druckguss auf Hinterschneidungen der Gussteile verzichtet werden. Die notwendigen Formteile für den Alu-Druckguss sind teuer und aufwendig in der Produktion. Um Korrosion zu vermeiden ist meist eine zusätzliche Oberflächenbehandlung notwendig. Auch Nachbearbeitungsverfahren, wie Zerspanen, Hartlöten oder Schweißen machen die gesamte Bauteilproduktion aufwendiger. [2]
Auch wenn die Produktionskette trotz ihrer Nachteile in der Industrie etabliert ist, existieren bereits weniger bekannte optimierte Materialien und Herstellungsverfahren. Ein wärmeleitfähiger Kunststoff kann durch geeignete Füllstoffauswahl bereits mit Aluminium konkurrieren. Durch vereinfachte Produktionszyklen, der Kombination von elektrisch isolierenden Eigenschaften und Wärmeleitfähigkeit, sowie erhöhter Designfreiheit bei der Bauteilkonstruktion stellt ein wärmeleitfähiger Kunststoff eine geeignete Alternative zu Aluminium dar (siehe Abbildung 2).
 
Wärmeleitfähiger Kunststoff

Wärmeleitfähiger Kunststoff als Wärmeabfuhrmaterial

Ein wärmeleitfähiger Kunststoff-Compound vereinigt die Eigenschaften des Füllstoffes mit denen des verwendeten Kunststoffes. Als Füllstoff eignen sich dabei verschiedenste Materialien, wie zum Beispiel Keramiken oder Metalle. Die Eigenschaften des Füllstoffes, zum Beispiel eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, wird dem entstehenden thermisch leitenden Kunststoff „vererbt“. So kann zum Beispiel ein gleichzeitig elektrisch isolierender und wärmeleitfähiger Kunststoff hergestellt werden.

PlastFormance Technologie in Wärmeleitfähigen Kunststoffen

 
Mit zunehmendem Füllstoffgehalt steigt der Füllstoffcharakter des Compounds. Das Problem bei konventionellen Compounds ist, dass gleichzeitig auch die Verarbeitbarkeit im Spritzguss abnimmt.
Hohe Füllstoffkonzentration

Abbildung 3: Verarbeitbarkeit im Spritzguss bei erhöhter Füllstoffkonzentration (in Anlehnung an [3])

Hierbei setzt die PlastFormance Technologie neue Maßstäbe. Denn PlastFormance-Compounds können eine Füllstoffkonzentration von bis zu 80% vol. enthalten (siehe Abbildung 3) und sind trotzdem im Spritzguss herstellbar. Diese Produktionsmethode erlaubt eine größere Designfreiheit als konventionelle Verfahren zur Herstellung von Aluminium-Kühlkörpern.
Integrale Wärmeleitfähigkeit

Abbildung 4: Gleichmäßige Wärmeabfuhr durch pulverförmige Füllstoffe

Ein weiterer Vorteil besteht in der homogenen Verteilung von isotropen Füllstoffen. Plättchenförmige Füllstoffe, wie zum Beispiel hexagonales Bornitrid (hBN) ordnen sich in Fließrichtung an, was eine anisotrope Wärmeabfuhr zur Folge hat (siehe Abbildung 4). Ein wärmleitfähiger Kunststoff von PlastFormance garantiert eine gleichmäßige Wärmeabfuhr durch die sphärischen Füllstoffmorphologien im Material.
 

Vereinigung einzelner Bauteilkomponenten

Konventionelle Kühlkörper bestehen aus mehreren Komponenten, um eine Isolierung des Aluminium-Bauteiles vom elektronischen Produkt zu gewährleisten. Ein wärmeleitfähiger Kunststoff ermöglicht beispielsweise den Verzicht von Thermal Interface Materials (TIMs).
Integration von Bauteilen

Abbildung 5: Integration einzelner Komponenten durch PlastFormance Technologie

Durch die Kombination von wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften ist es möglich, LED-Chips inklusive ihrer Leiterbahnen direkt auf den im Spritzguss hergestellten thermisch leitenden Kunststoff anzubringen (Abbildung 5).

Warum keine Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium benötigt wird

 
Typische Aluminiumlegierungen für Kühlkörper erreichen Wärmeleitfähigkeiten von ca. 140 W/mK. Während ungefüllte Kunststoffe Wärmleitfähigkeiten von 0,2 W/mK aufweisen, liegt ein wärmeleitfähiger Kunststoff von PlastFormance im Bereich zwischen 3 und 15 W/mK.
Wärmeleitfähigkeit von PlastFormance-Kunststoffen im Vergleich

Abbildung 6: Verlauf der Kontakttemperatur in Abhängigkeit von der Kühlkörperwärmeleitfähigkeit (in Anlehnung an [1])

Dieser Umstand mag technologisch nachteilig wirken, jedoch sind ab einer Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 10 W/mK nur noch geringe Temperaturverringerungen zu beobachten (vgl. [1], siehe Abbildung 6).

Das liegt einerseits daran, dass Kühlkörpergeometrie und Konvektion nicht ausreichen, um die Wärme effizient abzuführen. Andererseits stellen die elektrisch isolierenden Thermal Interface Materialien (TIM) mit ihren sehr geringen Wärmeleitfähigkeiten (0,5 – 1,5 W/mK) ebenfalls einen begrenzenden Faktor dar.

Fazit

 
Die gegenwärtige Nutzung von Aluminium als Material für Kühlkörper schöpft nicht das volle Potential in Bezug auf das Thermomanagement von elektronischen Bauteilen aus. Ein wärmeleitfähiger Kunststoff auf Basis der PlastFormance Technologie bietet eine Reihe von Vorteilen, die eine gesteigerte Effizienz in der Wärmeabfuhr bedeuten. Diese sind unter anderem:
  • Kombination von elektrischer Isolierung und Wärmeleitfähigkeit in einem Material
  • Hohe Designfreiheit, durch Verarbeitung im Spritzguss
  • Integration verschiedener Komponenten in einem Bauteil
  • Vereinfachung im Herstellungsprozess, durch Wegfall von Nachbearbeitungsverfahren
  • Kosteneinsparung im Gesamtsystem
  • Frei von Korrosion

Literatur

[1] Heinle, C.: „Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen“; TU Erlangen-Nürnberg (2012)

[2] Dietrich, J.: „Praxis der Umformtechnik“; Springer Verlag (2018)

[3] Griesinger, A.: „
Wärmemanagement in der Elektronik: Theorie und Praxis“; Springer Verlag (2019)
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