Kühlkonzepte Thermomanagement mit Grafit

Aktuelle Kühlkonzepte setzen auf Grafit. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit bei geringem Gewicht eignet sich dieser Werkstoff gut zum Ableiten von Hotspots. Grundsätzlich lassen sich viele...

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ISH Ingenieursozietät GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Dreyer System GmbH

Um die Leistungsmerkmale von Mikroprozessoren, Chipsets, FPGA, Hochleistungs-LEDs oder sonstiger Halbleiter zu gewährleisten, müssen diese effektiv gekühlt werden. Nicht nur die Verlustleistung der jeweiligen Komponente, sondern auch die Wärmestromdichte (Heat Flux) beeinflusst wesentlich die thermische Konzeption. So kann z.B. eine Verlustleistung von wenigen Watt enorme Probleme bereiten, wenn dieser Verlust auf einer sehr kleinen Fläche entsteht. Bei diesen Hotspots muss die entstehende Wärme rasch abgeleitet werden, um kritische Temperaturen und somit ein Zerstören des Bauteils zu vermeiden. Des Weiteren ist es, zumindest bei geringen Verlustleistungen, wünschenswert, thermische Konzepte möglichst ohne Lüfter und der damit verbundenen Geräuschentwicklung und den Mehrkosten zu konzipieren. Neben den bekannten Werkstoffen wie Aluminium und Kupfer, die zum Herstellen von Kühlkörpern oder Heat Spreadern verwendet werden, eröffnet der Einsatz von natürlichem Grafit neue Möglichkeiten. Aufgrund guter Wärmeleitfähigkeit bei geringem Gewicht eignet sich Grafit hervorragend zum Ableiten von Hotspots. Im Vergleich zu Aluminium und Kupfer weist Grafit eine nichtisotrope kristalline Struktur auf. Das bedeutet, die Wärme wird gezielt in x/y-Richtung abgeleitet und nur bedingt in z-Richtung. Daraus ergeben sich viele Möglichkeiten, diese physikalische Eigenschaft effektiv unter thermischen Aspekten zu nutzen.Setzt man ein Grafitprodukt wie eGraf SpreaderShield ein, lassen sich Verlustleistungen schnell ableiten und z.B. an ein Gehäuse abgeben. Auf Kühlkörper, Heat Pipes und Lüfter kann man u.U. verzichten. Neben Gewichtseinsparungen (Grafit wiegt ungefähr 20% weniger als Aluminium und 80% weniger als Kupfer) und der Reduktion der Gesamtkosten hat dies u.a. maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsaufnahme batteriebetriebener Geräte.Abhängig von der jeweiligen thermischen Anforderung lässt sich eGraf SpreaderShield in unterschiedlichen Dicken herstellen. Beim Herstellungsverfahren wird die unterschiedliche thermische Leitfähigkeit des Grafits berücksichtigt. In x/y-Richtung beträgt sie zwischen 100 und 500 W/mK, in z-Richtung zwischen 5 und 10 W/mK. Die Möglichkeit, die thermische Leitfähigkeit mit der Materialdicke an die jeweilige Applikation anzupassen, unterscheidet Grafit von herkömmlichen Werkstoffen. Auf diese Weise lassen sich auch sensible Bauteile vor Wärme schützen. Um bestimmte mechanische bzw. elektrische Anforderungen zu erfüllen, kann Grafit mit Aluminium, Kupfer, Kunststoff oder anderen Materialien laminiert werden. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn eine elektrische Isolation benötigt wird.Diese Beispiele sollen nur grundsätzlich die Möglichkeiten aufzeigen, die sich mithilfe von Grafit realisieren lassen. Hinsichtlich der Einsatzgebiete im Bereich von „Low-Voltage“-Anwendungen gibt es keine Beschränkungen.

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