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Elektronische Bauteile wie Leiterplatten sind hitzeempfindlich. Wärmeableitende Kunststoffe schützen vor Überhitzung. Bildquelle: Quarzwerke

Zum Ableiten von Wärme sind Metalle in den unterschiedlichsten Varianten und Ausführungen bekannt. Alle Metalle weisen zudem eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Es gibt jedoch Anwendungen, in denen diese elektrische Leitfähigkeit gerade nicht erwünscht ist.

Die Automobilindustrie ist seit jeher Impulsgeber und Treiber für neue Materialentwicklungen. Die zukünftigen Elektroautos sind mit Sicherheit ein ausgezeichnetes Gebiet insbesondere für neue Kunststoffe. In der Elektromobilität sind die Ziele der zukünftigen Anwendungen und die damit verbundenen Anforderungen eng mit der Verwendung von neuen und innovativen Kunststoffen verknüpft. Bei der Verwendung in Verbindung mit elektrischen Bauteilen mit hoher Energiedichte (Prozessoren, Leuchtdioden, Elektromotoren, Batterien, Elektronik etc.) werden neue Anforderungen an eine effiziente Wärmeableitung bei gleichzeitiger elektrischer Isolationsleistung verlangt.

Füllstoffe für thermische Leitfähigkeit sind gefragt

Dabei nehmen die wärmeleitenden Kunststoffe eine immer größere und wichtigere Rolle ein. Die Zahl der E&E Anwendungen hinsichtlich Automatisierung, Vernetzung und sonstiger sicherheitsrelevanter Komponenten nimmt im Automobil stetig zu. Der Trend im Bereich der elektrischen und elektronischen Anwendungen geht hin zu einer deutlichen Zunahme der Miniaturisierung und zu einer steigenden Leistungserhöhung. Die Anordnung der Bauelemente bei elektrischen Schaltungen wird weiter verdichtet. Diese Entwicklungstrends führen zwangsläufig zu einer stärkeren Wärmeerzeugung in den Bauteilen. Um die Leistung der Bauelemente zu erhalten oder sogar zu optimieren, gewinnt ein effizientes Wärmemanagement immer mehr an Bedeutung. Aber auch der Bereich der alternativen Antriebe mit Batterietechnologie zeigt, dass die aktuell noch teils kostenintensiven und komplexen Kühlungssysteme durch wärmeableitende Kunststoffe verbessert werden können. Gleichzeitig kann das Ziel Leichtbau durch eine kluge Auswahl und Kombination von Kunst- und Füllstoffen eine technisch und wirtschaftlich sinnvolle Alternative gegenüber Metalllösungen bieten.

Additive auf Basis mineralischer Rohstoffe werden seit vielen Jahren als Füllstoffe für Kunststoffe eingesetzt. Durch den Zusatz von speziellen Füllstoffen mit einer hohen Eigenwärmeleitfähigkeit lässt sich die Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe signifikant erhöhen. Dabei liegt neben der Wärmeleitfähigkeit der Fokus oft auf den mechanischen Eigenschaften. Wichtige Themengebiete wie die zum Wärmetransport notwendigen Mechanismen der Konvektion und der Wärmestrahlung sollen, neben den Einflussgrößen wie zum Beispiel dem Füllgrad und der Korngrößenverteilung der funktionellen Füllstoffe, berücksichtig werden.

Wärmeleitfähige Kunststoffe – die richtige Wahl

Die optimierte und effiziente Wärmeableitung ist eine der wichtigsten Anforderungen bei der Neuentwicklung elektrischer und elektronischer Geräte, wie zum Beispiel Leiterplatten, Prozessoren, SMD-Komponenten oder LED-Beleuchtungen, um einige Anwendungsbeispiele zu nennen. Kunststoffe sind in E&E Anwendungen mittlerweile weit verbreitet, aber Metalle sind noch immer die wichtigsten Materialien im Wärmemanagement. Einige Nachteile, die unweigerlich mit den Eigenschaften von Metallen verknüpft sind, sind unter anderem ihr hoher Preis, ihr hohes Gewicht und die elektrische Leitfähigkeit, auf der die intrinsisch hohe Wärmeleitfähigkeit basiert. Allgemein verbreitet im Bereich der passiven und aktiven Kühlung in der Elektronik sind Aluminiumkühlkörper und metallische Gehäuse. Je komplexer jedoch die geforderte Geometrie, desto schwieriger wird es, diese zur Verfügung zu stellen. Eine einfache Serienfertigung komplexer Bauteile, wie sie aus der Kunststoffverarbeitung bekannt ist, scheidet für diese Werkstoffe aus. Metallische Füllstoffe erzielen zwar eine hohe thermische Leitfähigkeit, gleichzeitig wird der Kunststoff aber elektrisch leitend. Dies ist bei vielen E&E Anwendungen nicht zielführend. Wie zum Beispiel bei diversen Kühlkörpern, die mit Hilfe einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien wie Plättchen, Pads, Vergussmassen, Gele aber auch durch Klebstoffe befestigt und an die Leiterplatte gebunden werden. Diese sogenannte Thermal Interface Materials (TIM) werden mit Füllstoffen wärmeleitfähig gemacht. Durch den Einsatz von sowohl keramischen wie auch mineralischen Füllstoffen kann parallel zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit eine elektrische Isolation erreicht werden.

Wärme optimal leiten mit mineralischen Füllstoffen

Es gibt eine Vielzahl an Füllstoffen, die für Kunststoffe verwendet werden können, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern. Tabelle 1 zeigt die bekanntesten dieser Füllstoffe, unterteilt in elektrisch isolierend und elektrisch leitend:

Eine Faustregel gilt jedoch für alle dieser Füllstoffe: Viel hilft viel! Polymere sind Isolatoren, und die Wärmeleitung geschieht durch Gitterschwingungen, den sogenannten Phononen. Ein Phonon ist die elementare Anregung (Quant) des elastischen Feldes. Die Bewegung der Atome wird von Nachbar zu Nachbar weitergeleitet, da die Elektronen fest am Atom gebunden sind und somit nicht zusätzlich, wie bei elektrisch leitfähigen Festkörpern, zur Wärmeleitung beitragen. Aus diesem Grund spielen die Eigenschaften der Füllstoffe in Bezug auf die Form und Größe eine wesentliche Rolle. Von diesen beiden Aspekten ist, neben der eigentlichen Eigenwärmeleitfähigkeit des Füllstoffs, die Isotropie und die erzielte Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs abhängig. Je größer die einzelnen Partikel sind und je geringer das Seitenverhältnis (Aspekt Ratio = Länge zu Durchmesser / Dicke) ist, umso höhere Werte können erzielt werden.

Um eine elektrische Isolation bei gleichzeitiger Steigerung der Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, wird häufig mit keramischen Füllstoffen gearbeitet. Solche Werkstoffe können die thermische Leitfähigkeit zwar deutlich verbessern, bringen aber oft Nachteile hinsichtlich Materialpreis und Abrasion sowie Mechanik mit sich. Mineralische Füllstoffe stellen eine sinnvolle und technisch durchaus interessante Alternative zu den noch häufig verwendeten keramischen und/oder metallischen Werkstoffen dar. HPF The Mineral Engineers, eine Division der Quarzwerke Gruppe, bietet mit der Silatherm Produktreihe ein breites Spektrum an solchen innovativen, wärmeleitfähigen Füllstoffen an.

Anwendungsbeispiele für Metallersatz durch wärmeleitende Kunststoffe

In Zusammenarbeit mit Lanxess und Bosch wurde ein Kunststoffflansch im Bereich des automobilen HVAC-System auf Basis von Polyamid 6 entwickelt. Der PA6 Compound wird mit dem mineralischen Füllstoff Silatherm auf Basis von Alumosilikat hoch gefüllt und erreicht eine isotropische Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/mK. Die integrierte Leistungselektronik wird über den elektrisch isolierenden WLF-Kunststoffflansch entwärmt. Der Kunststoffflansch erfüllt weiterhin die Aufgaben eines Motorträgers und dient als Elektroniklagerung für die Aufnahme der Motorkontakte sowie als Schnittstelle zum Kundenadapter. Um metallische Werkstoffe im Wärmemanagement durch wärmeleitfähige Kunststoffe ersetzen zu können, kann das in den meisten Fällen nicht 1:1 umgesetzt werden. Die Konstruktion und das Design des jeweiligen Produktes muss neu und effizient gestaltet werden. Auch in dieser Anwendung konnte durch mehrere Entwicklungs- und Serienphasen die ursprünglich aus Aluminium gefertigte Komponente in wärmeleitfähigem PA 6 in Serie gebracht werden.

Carbon-Footprint

Betrachtet man einen Compound mit 60 % Alumosilikat und 40% PA 6, so ist das GWP (Global Warming Potential) bei diesem Compound ca. 2,8 Tonne CO2 pro Tonne Produkt (= Compound) und somit um den Faktor 4 bis 6 besser in der Klimaschonung als eine vergleichbare Aluminium-Lösung mit 11 bis 16 Tonnen CO2 pro Tonne Produkt (bezogen auf das Gewicht, abhängig von der Region). Wird dazu eine optimierte Geometrie, beispielsweise eine dünnere Bodenplatte, verwendet, so steigt der Faktor abhängig von der Gewichtsreduktion auf bis zu 8.

 

 

 

 

 

 

Über den Autor

Péter Sebö

ist Leiter Marketing & Marktentwicklung bei  HPF The Mineral Engineers / A Division of Quarzwerke Group, Quarzwerke in Frechen.