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.
Material requirements for heat sink components
The main task of a heat sink is to dissipate heat from heat-producing components. For this purpose, the heat flux from the emitter must first reach the heat sink via the entire heat guide path. Both the internal thermal resistance and the heat transfer resistances are adding up in the process. The dissipated heat is finally released through convection to the ambient air. A higher temperature difference between the heat sink and the discharge medium (air, water) is resulting in more efficient heat dissipation.
Consequently, the internal thermal resistance, the heat transfer resistance and the total number of required intermediate layers have a crucial role in the entire assembly. However, component geometry and orientation are also non-negligible parameters in the efficiency of heat sinks.
Material requirements for heat sink components
The main task of a heat sink is to dissipate heat from heat-producing components. For this purpose, the heat flux from the emitter must first reach the heat sink via the entire heat guide path. Both the internal thermal resistance and the heat transfer resistances are adding up in the process. The dissipated heat is finally released through convection to the ambient air. A higher temperature difference between the heat sink and the discharge medium (air, water) is resulting in more efficient heat dissipation.
Consequently, the internal thermal resistance, the heat transfer resistance and the total number of required intermediate layers have a crucial role in the entire assembly. However, component geometry and orientation are also non-negligible parameters in the efficiency of heat sinks.
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.
Figure 1: Schematic representation of the heat conduction path of an LED heatsink
(based on [1])
Figure 2: PlastFormance heatsink
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.
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).
Material requirements for heat sink components
The main task of a heat sink is to dissipate heat from heat-producing components. For this purpose, the heat flux from the emitter must first reach the heat sink via the entire heat guide path. Both the internal thermal resistance and the heat transfer resistances are adding up in the process. The dissipated heat is finally released through convection to the ambient air. A higher temperature difference between the heat sink and the discharge medium (air, water) is resulting in more efficient heat dissipation.
Consequently, the internal thermal resistance, the heat transfer resistance and the total number of required intermediate layers have a crucial role in the entire assembly. However, component geometry and orientation are also non-negligible parameters in the efficiency of heat sinks.
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.
Figure 3: Processability in injection molding with increased filler concentration (based on [3])
Here, PlastFormance technology sets new standards. This is because PlastFormance compounds can contain a filler concentration of up to 80% by volume (see Fig. 3) and are still producible by injection molding. This production method allows greater freedom of design, than conventional processes for manufacturing aluminum heat sinks.
Figure 4: Uniform heat dissipation through powdered fillers
Another advantage is the homogeneous distribution of isotropic fillers. Platelet-shaped fillers, such as hexagonal boron nitride (hBN), arrange themselves in the direction of flow, resulting in anisotropic heat dissipation (see Figure 4). A thermally conductive plastic from PlastFormance guarantees uniform heat dissipation due to its spherical filler morphologies.
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).
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).
Figure 5: Integration of individual components using PlastFormance technology
Figure 6: Contact temperature as a function of the heat sink thermal conductivity (based on [1])
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.
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.
Conclusion
The current use of aluminum as a material for heat sinks does not exploit the full potential in terms of thermal management of electronic components. A thermally conductive plastic based on PlastFormance technology, offers numerous advantages, which are resulting in increased heat dissipation efficiency. These include:
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Combination of electrical insulation and thermal conductivity in one material
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High freedom of design, due to injection molding processing
-
Integration of different components in one device
-
Simplification in manufacturing, due to elimination of post-processing procedures
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Cost savings in the overall system
-
Corrosion-free
References
[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)