Wärmemanagement Jenseits der Standards: Wenn Kupfer und Aluminium nicht mehr ausreichen

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In der Entwärmung gaben Kupfer und Aluminium lange den Ton an. Doch moderne Designs in der Leistungselektronik oder in High-End-Rechenzentren stoßen an physikalische Grenzen. Um thermischen Stress zu beherrschen und Bauraum zu sparen, rücken Performance-Metalle und Verbundwerkstoffe in den Fokus.

In der Leistungselektronik ist Wärme ein limitierender Faktor und muss mit einem geschickten Wärmemanagement abgeführt werden. Bisher kamen hier vor allem Kupfer und Aluminium zum Einsatz. Doch die Anforderungen an das Wärmemanagement ändern sich. Werkstoffe müssen dabei oft physikalisch widersprüchliche Eigenschaften vereinen. Dazu gehören eine hohe Festigkeit bei einem geringen Gewicht, Medienverträglichkeit in aggressiven Umgebungen oder ein präzise abgestimmtes Ausdehnungsverhalten.

Wann genau kommen Hochleistungswerkstoffe zum Einsatz? Dr. Björn Reetz von Materion Brush definiert die Grenze dort, wo klassische Materialien versagen: „Wir sprechen dann von einem sehr kleinen Bauraum oder ungünstigen Eigenschaftskombinationen, wenn etwa eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit extremer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit gegen Wasserstoff oder Resistenz gegen radioaktive Strahlung verlangt wird. In solch einem Umfeld kommen klassische Metalle an ihr Limit.“ Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Notwendigkeit maßgeschneiderter thermischer Eigenschaften wie eines spezifisch angepassten Ausdehnungskoeffizienten.

Plattierte Metalle und Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe

Ein zentrales Problem in der Elektronik ist der thermische Stress, der durch die unterschiedliche Ausdehnung von Halbleitern und Kühlkomponenten entsteht. Hier setzt Materion Brush auf seine durchdachten Materialarchitekturen.

„Durch plattierte Metalle (dauerhaft verbundene Metalle, Anmerkung der Redaktion) können wir die Dehngrenze an die zu erwartenden Spannungen anpassen, Gradienten im Bauteil erzeugen oder Spannungen durch gezielte Zwischenlagen puffern“, erklärt Dr. Reetz. Eine Schlüsselrolle spielen auch Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe, da sie angepasste thermische Ausdehnungen ermöglichen, ohne die thermische Performance zu beeinträchtigen.

Der Experte sieht das größte Potenzial in Werkstoff-Verbundlösungen: „Plattierte Metalle und Verbundwerkstoffe sind die wahren Gamechanger. Sie ermöglichen eine sehr breite und gezielte Anpassung an das konkrete Anwendungsproblem, ohne dass die grundlegende Technologie verändert werden muss.“

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Ein intelligentes Design sorgt für Wirtschaftlichkeit

Das Vorurteil, Hochleistungswerkstoffe seien zu teuer, hält sich oft hartnäckig. Dr. Reetz hält dagegen, dass eine Systembetrachtung hier Abhilfe schafft. Der Gesamtnutzen wird durch ein reduziertes Gewicht, weniger Bauraum, eine deutlich größere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer erzielt. Oft sind es erst diese Materialien, die bestimmte Technologien überhaupt erst ermöglichen. Ein Beispiel ist der komplette Verzicht auf aufwendige Kühlflüssigkeiten.

Um die Wirtschaftlichkeit weiter zu steigern, setzt Materion Brush auf eine enge Verzahnung mit modernen Fertigungsverfahren. „Wir müssen das Potenzial dieser Werkstoffe durch eine clevere Konstruktion maximal ausschöpfen. Das bedeutet die Kombination mit Technologien wie der additiven Fertigung, den Fokus auf Umformschritte statt Zerspanung und eine kluge Auswahl der Fügeverfahren bei Plattierungen“, sagt Dr. Reetz. Zudem sei die Schaffung von Standards für Hochleistungswerkstoffe ein wichtiger Schritt, um die Variantenvielfalt zu begrenzen und die Herstellung effizienter zu gestalten. (heh)

Wenn Sie erfahren möchten, welche Materialkombinationen für die Herausforderungen der nächsten Generation von Leistungselektronik bereitstehen, sollten Sie den Vortrag von Dr. Björn Reetz auf dem Fachkongress Power of Electronics vom 29. bis 30. September in Würzburg besuchen.

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