Wärmeleitfähige Kunststoffe Wärmeverteilung in elektronischen Baugruppen optimieren

Wärmeleitende Kunststoffe sind eine ideale Ergänzung zu vielen klassischen Entwärmungskonzepten. Aufgrund des relativ geringen Gewichts bieten sie darüber hinaus insbesondere für mobile Systeme Vorteile.

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Bürklin GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

FAPS Lehrstuhl f. Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik

Durch fortschreitende Miniaturisierung und hohe Packungsdichten sowie durch den zunehmenden Einsatz leistungselektronischer Bauelemente in Massenprodukten, beispielsweise für LED-Anwendungen, rückt bei elektronischen Baugruppen ein angepasstes thermisches Management zunehmend in den Vordergrund.

Konventionelle Lösungen basieren auf Kühlstrukturen aus Metall oder keramischen Werkstoffen. Diese zeichnen sich durch eine hohe Wärmeabfuhr aus, sind allerdings mit erhöhten Kosten für Material, aber auch aufwändigen Prozessketten für Herstellung und Integration, zum Beispiel in der Aufbau- und Verbindungstechnik, verbunden.

Spektrum thermischer und mechanischer wärmeleitender Kunststoffe Eigenschaften

Hier bilden wärmeleitende Kunststoffe einen innovativen Ansatz für die Verwendung in der Elektronik. Die füllstoffmodifizierten Verbundwerkstoffe können in etablierten und effizienten Massenverfahren wie dem Spritzguss oder der Extrusion verarbeitet werden und besitzen damit gegenüber konventionellen Fertigungslösungen deutliche Vorteile in der Formgebung.

Die Kombination von thermo- oder duroplastischen Kunststoffen und gezielt ausgewählten Füllstoffsystemen eröffnet ein großes Spektrum mechanischer aber auch thermischer Anwendungseigenschaften. Damit sind wärmeleitende Kunststoffe für den Einsatz auf verschiedenen Integrationsstufen, vom Chip-Träger und -Package bis zum kompletten Schaltungsträger und Gehäusebauteil prädestiniert.

Durch die speziell auf die Baugruppe abgestimmte Form der Kühlstrukturen kann darüber hinaus die, im Vergleich zu Metallen oder Keramiken, niedrigere Wärmeleitfähigkeit für viele Anwendungsfälle ausgeglichen werden.

Unterschiedliche Füllstoffe für eine angepasste Wärmeleitfähigkeit

Hergestellt werden wärmeleitende Kunststoffe in konventionellen Aufbereitungsverfahren der Kunststofftechnik wie beispielsweise dem gleichlaufenden Doppelschneckenextruder oder dem einwelligen Ko-Kneter. Über eine im Vorfeld festgelegte Rezeptur, die sich aus dem zu modifizierenden Kunststoff, dem wärmeleitenden Füllstoff und weiteren Additiven zusammensetzt, erfolgt eine gezielte Anpassung der Anwendungseigenschaften des Verbundwerkstoffes.

Die an sich geringe Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen von ca. 0,15 W/(m∙K) kann durch Füllstoffzugabe von bis zu 60 Vol.-% auf annähernd 20 W/(m∙K) gesteigert werden [1] (Bild 1). Für Anwendungen, die neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit eine elektrische Isolationsfähigkeit des Verbundwerkstoffes erfordern, kommen in der Regel keramische Füllstoffsysteme wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Bornitrid zum Einsatz, welche Wärmeleitfähigkeiten bis zu 6 W/(m∙K) ermöglichen. Höhere Wärmeleitfähigkeiten werden durch Graphit- oder Kupferfüllstoffe erreicht, die Isolationsfähigkeit geht dabei allerdings verloren [2].

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