Die Nachfrage nach LED-Leuchten steigt – nicht zuletzt aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz. Aber obwohl LED-Lampen einen geringeren Stromverbrauch haben und weniger Wärme freisetzen als herkömmliche Glüh­lampen, ist das Ableiten der von den LEDs erzeugten Wärme technisch herausfordernd. Funktioniert dies nicht optimal, leiden darunter Leuchtkraft, Lebensdauer und Energieeffizienz, oder das Element fällt komplett aus.

Bisher haben Hersteller zur Wärmeableitung unter anderem Aluminium eingesetzt. Druckgussteile aus Aluminium sind jedoch relativ schwer und teuer in der Herstellung. Im Gegensatz dazu erfüllen Wärmeleitpolymere die Anforderungen an Thermal-Interface-Komponenten, wie Fassungen, Kühlkörper, Wärmeleitpads sowie Einbaurahmen, und senken Gewicht und Kosten. Die Materialien lassen sich wie herkömmliche Thermoplaste per Spritzguss verarbeiten. Ein Beispiel dafür sind die Polymere Therma-Tech von Polyone, Avon Lake, USA.

Polymere für die LEDs

Kruunutekniikka Oy, Lempäälä, Finnland, ein Hersteller von Beleuchtungskomponenten, hat mit Coolics ein Thermal-Interface entwickelt und dabei auf die Wärmeleit-Polymere des Kunststoff-Herstellers zurückgegriffen. Die Formulierung dieser Polymere ist kundenspezifisch so gestaltet, dass sie nach ASTM E1461 eine (in plane) Wärmeleitfähigkeit von 2,7 bis 21 W/(m*K) aufweisen. Die Materialien zeigen mit einer Glühdrahtfestigkeit von 850 °C/0,8 mm auch die erforder­lichen Flammschutzeigenschaften nach IEC 60695-2-12. Sie lassen sich außerdem für LED-Gruppen direkt umspritzen. Um dies zu ermöglichen, wurden zwei maßgeschneiderte Compounds entwickelt. Insgesamt sind die Stückkosten für diese Teile geringer als die für Teile aus Aluminium-Druckguss, und auch die Herstellung ist aufgrund der Verarbeitbarkeit im Spritzgussverfahren günstiger. Produktionsabfälle lassen sich in einem Inline-Prozess recyceln.

Design-Freiheiten ausnutzen

Mit solchen thermoplastischen Materialien haben Designer insgesamt mehr Möglichkeiten, zusätzlich zur Leitfähigkeit die dielektrischen und mechanischen Leistungsanforderungen zu erfüllen und die Kriterien hinsichtlich Entflammbarkeit, Maßhaltigkeit und Kriechfestigkeit einzuhalten.
Während Metalle elektrisch und thermisch leitfähig sind, können Kunststoffe je nach Formulierung sowohl thermisch leitfähig und elektrisch leitfähig als auch thermisch leitfähig und elektrisch isolierend sein. Elektrisch leitfähige Thermoplaste sind dabei wärmeleitfähiger als elektrisch nicht leitfähige Materialien. Beim Design von thermoplastischen Wärmeableitern sollte eine größtmögliche Oberfläche realisiert werden, beispielsweise durch die Integration von Rippen, um eine freie Konvektion zu unterstützen.

Bei thermisch leitfähigen Kunststoffen als Wärmeableiter ist nicht die Wärmeleitung des Materials selbst der einschränkende Faktor, sondern die Wärmekonvektion. Dies gilt besonders für die Luftzirkulation – im Gegensatz zu erzwungener Konvek­tion. Erzwungene Wärmeableitung per Lüfter oder Gebläse führt allerdings zu mehr Komplexität, höheren Kosten, höherem Gewicht und zusätzlichem Energieverbrauch.

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Philippe Chabanne, Market Manager, Electrical/Electronics, Polyone