Wärmeleitkunststoffe für das Kühlen von Hochleistungsbauteilen

Die Miniaturisierung von elektronischen Komponenten und Baugruppen, bei immer höheren Rechenleistungen, ist ein Trend des Elektroniksektors, welcher in den nächsten Jahren verstärkt fortgesetzt wird. Die erhöhte Leistungsdichte der Systeme und die damit verbundene Wärmeentwicklung hat einen Einfluss auf die Lebensdauer der einzelnen Komponenten. Thermalmanagement wird durch die erhöhte Wärmeentwicklung ein zentrales Thema in der Auslegung von kühlenden Baugruppen. Nach heutigem Stand werden Kühlkörper weitestgehend aus Metallen, wie beispielsweise Aluminium eingesetzt und bringen den Nachteil der fehlenden elektrischen Isolierung mit. Als Folge müssen teure und schlecht wärmeleitfähige Interface-Materialien zur elektrischen Isolierung eingesetzt werden. Aluminium findet aufgrund der geringen Dichte und der hohen Wärmekapazität als Kühlkörpermaterial oft seinen Einsatz. Trotz der höheren Wärmeleitfähigkeit von Kupfer wird Aluminium bevorzugt, da die einfachere und günstigere Produktion zum Tragen kommt. Das Herstellen der Kühlkörper erfolgt meist im Strangpressverfahren oder mittels Aluminium-Druckguss. Einschränkungen in der Designfreiheit der Bauteile existieren bei beiden Verfahren. So sind beim Strangpressverfahren nur lineare Geometrien realisierbar und beim Aluminium-Druckguss muss auf Hinterschnitte der Gussteile verzichtet werden. Auch fallen bei der Werkzeugherstellung von Aluminium-Druckgussteilen erhöhte Kosten an, da eine zusätzliche Oberflächenbehandlung notwendig ist, um eine Korrosion auszuschließen. Zudem sind Nachbearbeitungsschritte wie Zerspanen, Hartlöten oder Schweißen teilweise notwendig und machen die gesamte Bauteilproduktion aufwendiger [1,2]. Durch den Einsatz eines wärmeleitfähigen Kunststoffes mit gleichzeitiger elektrischer Isolierung besteht die Möglichkeit, die Systemkomplexität zu reduzieren und bestehende Metallkühlkörper zu ersetzen. Die Vereinigung von Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung in einem thermisch leitenden Kunststoff erfolgt durch die Auswahl geeigneter Füllstoffe. Verschiedenste Materialien, wie zum Beispiel Keramiken oder Metalle kommen als Füllstoff in Frage. Es erfolgt eine „Vererbung“ der Eigenschaften des Füllstoffes, im Fall von Keramikfüllstoffen die hervorragende Wärmeleitfähigkeit, auf das entstehende Kunststoffcompound. So kann zum Beispiel ein gleichzeitig elektrisch isolierender und wärmeleitfähiger Kunststoff hergestellt werden. Wärmeleitfähige Kunststoff-Compounds sind bereits kommerziell auf dem Markt erhältlich und es verfolgt diese Art der Compounds ein Mythos: Ein wärmeleitfähiger Kunststoff ist abrasiv, teuer und schwer zu verarbeiten. Hier setzt die Technologie von Plastformance, Teisendorf, an, mit der sich in Kürze diese Mythen entfesseln lassen.

Im Allgemeinen besteht die Plastformance-Technologie in der Realisierung extremer Füllgrade im wärmleitfähigen Kunststoff, bei gleichzeitigem Erhalt der Verarbeitungsfähigkeit im Spritzguss. Die ausgewählte, isometrische Partikelmorphologie ermöglicht eine Wärmeleitfähigkeit gleichmäßig in alle Raumrichtungen. Es erfolgt eine homogene Verteilung von isotropen Füllstoffen. Im Gegenteil dazu ordnen sich plättchenförmige Füllstoffe, wie zum Beispiel hexagonales Bornitrid (hBN), in Fließrichtung an und führt in Folge zu einer anisotropen Wärmeabfuhr (Bild 1). Die wärmeleitfähigen Kunststoffe besitzen eine gleichmäßige Wärmeabfuhr, die durch die sphärischen Füllstoffmorphologien im Material ermöglicht wird.

Konventionelle hochgefüllte wärmeleitfähige Compounds besitzen eine bessere Wärmeleitfähigkeit, jedoch nimmt auch gleichzeitig die Verarbeitbarkeit im Spritzguss ab. Die Plastformance-Technologie setzt hier neue Maßstäbe. Die Compounds enthalten eine Füllstoffkonzentration von bis zu 80 Vol. % (98,5 Gew.%) und ihre Verarbeitung ist trotzdem mittels konventionellem Spritzguss möglich. Mithilfe der Spritzgusstechnik wird eine größere Designfreiheit im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren von Aluminium-Kühlkörpern ermöglicht. Die Verarbeitbarkeit wurde anhand einer Fließspirale mit dem Querschnitt 3 x 5 mm und einer Fließweglänge von 900 mm mit dem Compound TC-4 des Unternehmens demonstriert. Der Werkstoff auf Basis von PA 6 besitzt 4 W/mK integrale Wärmeleitfähigkeit, ist elektrisch isolierend und mit 80 Gew.% Oxidkeramikfüllung gefüllt. Bei einem Spritzdruck von 1.000 bar und einer Werkzeugtemperatur von 135 °C sowie Massetemperatur von 265 °C konnte die Fließspirale vollständig gefüllt werden (Bild 2).

Durch die Kombination von ausgewählten Füllstoffen und Additiven kann ein wärmeleitfähiges Compound hergestellt werden, welches sich preislich unterhalb von Compounds mit hexagonaler Bornitrid Füllung befindet. Darüber hinaus stellt die Vereinigung einzelner Bauteilkomponenten weiteres Einsparpotenzial dar. Oft werden zur Isolierung des Aluminium-Bauteiles zur elektrischen Komponente Thermal Interface Materialien (TIMs) eingesetzt, welche durch den Einsatz eines Plastformance TC-4 ersetzt werden können. LED-Chips mit ihren Leiterbahnen können direkt auf den im Spritzguss hergestellten thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Kunststoff angebracht werden (Bild 3).

LED-Stromschienenstrahler, welche konventionelle Aluminium-Kühlkörper verwenden, können mihilfe einer simulationsgestützten Optimierung durch einen wärmeleitfähigen Kunststoff ersetzt werden. Der optimierte Kühlkörper kann für einen LED-Strahler mit 20 W Leistung eingesetzt werden. Durch die ellipsenförmige Anordnung der Stäbe wurde nochmals die Gesamtkühlfläche erhöht.

[1] Heinle, C.: „Simulationsgestützte Entwicklung von Bauteilen aus wärmeleitenden Kunststoffen“; TU Erlangen-Nürnberg (2012)
[2] Dietrich, J.: „Praxis der Umformtechnik“; Springer Verlag (2018)

Quelle: Plastformance

K 2022: Halle 12, Stand C36