Wärmeleitfähige Kunststoffe und Elektronik clever kombiniert

Anbieter zum Thema

Heitec AG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

KSG Austria GmbH

Die mechanischen Eigenschaften anpassen

Zum Einsatz kommt ein auf die Anwendung maßgeschneidertes Material der Firma Lehmann&Voss&Co. Es handelt sich um LUVOCOM 1800-9333/WT auf Basis des Standard-Polymers PET und zusätzlich mit einem Standardgrade der 3M Bornitrid Cooling Filler. Durch weitere Modifikation ist auch eine optimierte Anbindung zur Leiterplatte gewährleistet. Das thermoplastische Compound kann im Spritzgießverfahren sehr wirtschaftlich zu komplexen und filigranen Bauteilen verarbeitet werden. Das Material füllt bei niedrigem Druck feine Kavitäten. Grundsätzlich sind die Designmöglichkeiten des Kunststoffspritzgusses nahezu unbegrenzt.

Der Werkstoff ist nicht abrasiv, so dass die Spritzgießwerkzeuge nicht verschleißen. Die Verarbeitung erfolgt mit konventionellen Spritzgussanlagen und Spritzgusswerkzeugen. Durch die Wahl des Matrixpolymers kann das thermoplastische Compound von elastisch bis hochsteif variiert werden.

Kombiniert mit anderen Füllstoffen lassen sich die mechanischen Eigenschaften über ein sehr breites Anwendungsspektrum anpassen, womit sich deutlich breitere Anforderungen abdecken als mit den alternativen Werkstoffen Metall oder Keramik. Eine Nachbearbeitung ist nicht erforderlich, da über das Spritzgussverfahren sehr hohe Oberflächenqualitäten möglich sind. Die Vorteile der LED-Taschenlampe sind:

• Kombination einfacher, verbreiteter Prozesse für die Leiterplatte und das Spritzgießen ermöglicht kurze Entwicklungszeiten und eine Reduktion der Fertigungsschritte,

• verringerte Prozessschritte und Reduktion auf zwei Komponenten des Gesamtsystems für niedrige Einkaufs- und Prozesskosten,

• bessere Produktdesigns (Form, Farbe, Gewicht und Haptik),

• weniger Gewicht dank geringer Dichte und

• verbesserte optische Reflexionseigenschaften durch gefüllten Kunststoff mit Bornitrid.

Kombination aus anerkannten Materialien und Prozessen

Entwicklern und Herstellern von Leuchtkonzepten gibt das Projektteam damit ein Rezept aus anerkannten Industrielösungen in die Hand und liefert die Experten für Kunststoff, Leiterplatte und Spritzgießtechnik dazu. Nur die aufeinander abgestimmte Kombination aus Kunststoff, Leiterplatte und Spritzgießprozess ermöglicht ein erfolgreiches Design. Für das Umspritzen mit Kunststoff braucht es eine geeignete Leiterplatte. Grundvoraussetzung für den Spritzgießprozess sind hohe Steifigkeit und Temperaturbelastbarkeit. Eine FR4-Leiterplatte bietet zudem eine zu geringe Wärmespreizung und würde sich beim Umspritzen durch Druck und Wärme verbiegen.

Für 3M kam nur eine Leiterplatte in Frage, die alle geforderten Kriterien erfüllt: HSMtec von Häusermann, der patentierte FR4-Multilayer mit eingebetteten Kupferelementen in den Innenlagen. Kupferkernleiterplatten entwärmen und bieten ausreichend Wärmespreizung. Dadurch können Kunststoffcompounds mit Wärmleitfähigkeiten von 1 bis 10 W/m·K auch elektrische Komponenten mit sehr konzentrierter Wärmeentwicklung entwärmen. Eine Kupfer/FR4-basierte Leiterplatte weist zusammen mit Kunststoff eine sehr hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer auf, wodurch sie sich von Aluminium-basierten Metallkernleiterplatten unterscheidet.

Die in die HSMtec-Leiterplatte eingebetteten Kupferprofile bieten eine Wärmeleitfähigkeit von 300 W/m·K. Die Kupferprofile mit Breiten von 2 bis 12 mm und beliebiger Länge werden additiv zur Verstärkung der Leiterbahnen aufgebracht. Die Kupferprofile befinden sich an den Stellen, wo die Wärme abgeleitet werden soll. Das kann beispielsweise direkt unter einem LED-Hotspot sein.

Die Kupferprofile lassen sich mit patentiertem Ultraschallverfahren stoffschlüssig mit dem geätzten Leiterbild der einzelnen Lagen verbinden. Nach dem Verpressen des Multilayers befinden sich die Kupferelemente etwa 60 µm unterhalb der Leiterplattenoberfläche. Die Weiterverarbeitung und das Bestücken der Leiterplatte erfolgt mit Standardprozessen. Die HSMtec-Leiterplatte ist qualifiziert nach DIN EN 60068-2-14 und JEDEC A 101-A und auditiert für Luftfahrt und Automotive.

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