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Elektronik-Design neu gedacht durch Keramik

Wärmeleitfähige Kunststoffe durch keramische Additive – eine Revolution für die Leistungselektronik

Wärmestaus werden in dichtgepackten elektronischen Baugruppen zunehmend problematischer. Bisher wird die entstehende Wärme oft über große metallische Kühlflächen abgeleitet. Mit wärmeleitfähigen Kunststoffen gibt es jetzt eine Werkstoffgeneration, die auch die elektrischen Isolator-Eigenschaften beibehält und sowohl ein Kühlen als auch ein Aufheizen erlaubt.

Thermal Interface Material (TIM)

Leistungselektronik, Sensorik, moderne LED-Beleuchtung, Smartphones, Antriebskomponenten für Automobile oder Maschinen und vieles mehr – die bei einer hohen Leistungsdichte entstehende Wärme gilt hier in der Regel als funktionskritisch und muss abgeleitet werden. Doch Wärmemanagement ist aufwändig, denn eine kompakte Bauweise, Trends zur Bauteilminiaturisierung und Leichtbauweise sowie die Verwendung traditioneller, wärmeisolierender Kunststoffe stehen sich konträr gegenüber.

So werden elektronische Hochleistungsbausteine oft mit vergleichsweise riesigen Kühlkörpern aus Aluminium oder Kupfer und zusätzlichen Lüftern versehen, um unliebsamer Temperaturentwicklung effizient entgegenzuwirken. Weil Metalle wie Aluminium und Kupfer aber nicht nur thermisch, sondern auch elektrisch gut leitfähig sind, muss die elektrische Isolation wiederum durch passende Thermal Interface Materialien gesichert werden. Und trotz optimierter Gehäuse- und Kühlkörperdesigns – es bleibt ein konstruktives Dilemma. Einen Ausweg bieten wärmeleitfähige Kunststoffe. Genauer gesagt: wärmeleitfähige Keramik als Additiv für Kunststoffe.

Ultraleichtes Elektronik-Design durch technische Keramik

Thermisch leitfähige Kunststoffe stehen für einen Paradigmenwechsel bei den Werkstoffen und geben den Weg frei für völlig neu gedachtes Elektronik-Design. Denn sie bieten einerseits wichtige Vorteile Kunststoffe wie leichte Bauweise, kostengünstige Massenproduktion, sind elektrisch isolierend und in fast jeder beliebigen Form herstellbar und können andererseits durch ihre wärmeableitenden Eigenschaften gleichzeitig Gehäuse und Kühlkörper sein. Dem Konstrukteur eröffnen sich dadurch andere Konstruktions- und Designmöglichkeiten. Zum Beispiel können komplexe elektronische Bausteine vollflächig mit thermisch leitfähigen Kunststoffen umspritzt werden. Die klassischen Kühlrippenstrukturen avancieren dann zugleich zum Gehäuse.

Bornitrid macht Kunststoffe wärmeleitfähig

Ein Füllstoff für die Kunststoff-Compounds ist u.a. der keramische Zuschlagstoff Bornitrid. Die Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid ist mit Silber (430 W/mK) und Kupfer (380 W/mK) vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid-Einkristallen in der Ebene, ca.400 W/mK.

In Kombination mit Kunststoffen erreicht man mit Bornitrid je Füllgrad und Kunststoffart auch 15 W/mK. Dabei bleibt der Kunstsoff elektrisch isolierend. Hexagonales Bornitrid (hBN) verfügt über eine sehr geringe Dichte von 2,26 g/cm³. Der geringe thermische Ausdehnungskoeffizient und hohe Elastizitätsmodul sorgen für beste Formstabilität, auch bei großen Teileabmessungen. Bornitrid gibt es in einer Vielzahl von Qualitäten, die sich durch Partikelgrößenstreuung, Klopfdichte, Oberfläche, Reinheit und viele weitere Parameter unterscheiden. Damit sind individuelle Kunststoffmischungen machbar, die unterschiedlichsten Anforderungen an den Verarbeitungsprozess oder die Produkteigenschaften gerecht werden.

Vorteile von hexagonalem Bornitrid

  • hohe Wärmeleitfähigkeit, hBN bis zu 400 W/mK,
  • gute Gleitreibung, dadurch geringer Verschleiß von Spritzguss- und Pressanlagen
  • für große Durchflussmengen im hochvolumigen Betrieb
  • geringe Dichte ermöglicht geringes Teilegewicht
  • geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient und hoher E-Modul
  • weiß, für sauber aussehende Kunststoffe

Wärmeleitfähige Kunststoffe mit Bornitrid-Additiven sind elektrisch isolierend sowie thermisch hoch leitend und können sowohl Metalle als auch Hybrid- und Verbundwerkstoffe ersetzen. Typische Anwendungen sind: Leiterplattenkühlkörper, Schlauchmaterial für Wärmetauscher in der Haushaltstechnik, Isoliermaterial von Maschinenelementen mit hoher Drehzahl, Kühlkörpergehäuse für LED-Leuchten, Motorkomponenten, elektronische Komponenten im Automobil