3M Technical Ceramics
Zweigniederlassung der 3M Deutschland GmbH

3M™ Bornitrid Cooling Filler machen Kunststoffe wärmeleitfähig

3M™ Wärmeleitfähige Füllstoffe
Bornitrid-Pulver von 3M ermöglichen maßgeschneiderte Lösungen in vielen Anwendungsbereichen der Elektronik.

Große Stückzahlen, geringe Kosten und eine große Designfreiheit: Kunststoffe sind aus gutem Grund das Lieblingsmaterial moderner Konstrukteure. Doch im Bereich der Elektronik stoßen sie schnell an Grenzen: Denn Kunststoff ist nicht wärmeleitfähig. Elektronische Bauteile erfordern Materialien, die auf kleinstem Raum schnell und wirksam Wärme abführen können. 3M™ Bornitrid als Füllstoff für Kunststoffe löst diesen Widerspruch auf einfache Weise auf.

Das von 3M Technical Ceramics in Kempten hergestellte hexagonale Bornitrid (h-BN) erschließt eine neuartige Materialklasse, nämlich die der wärmeleitfähigen Kunststoffe. Diese eröffnet verschiedenste Möglichkeiten für innovative und montagefreundliche Lösungen zur Entwärmung leistungselektronischer Baugruppen.

Wärmeleitfähigkeit vergleichbar mit Kupfer

Denn Bornitrid besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die mit Kupfer vergleichbar ist. In der Mischung mit einem Thermoplast werden so Leitfähigkeiten auch über 10 W/m*K erreicht. Darüber hinaus bietet der Füllstoff eine einzigartige Kombination von Anwendungseigenschaften. In der Kunststoffverarbeitung - Compoundierung, Extrusion, Spritzguss – ist er problemlos einsetzbar. Er verfügt über eine niedrige Dielektrizitätskonstante, ein sehr gutes elektrisches Isolationsvermögen, hohe Abriebbeständigkeit, keine Toxizität und gute Temperaturbeständigkeit.

Nach dem Stand der Technik werden zur Entwärmung in der Elektronik bisher vor allem metallische Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer eingesetzt. Da diese gleichzeitig auch elektrisch leitend sind, müssen die zu kühlenden Bauelemente und der Kühlkörper zum Beispiel mithilfe von Isolationsfolien elektrisch voneinander isoliert werden. Um die einzelnen Elemente miteinander zu verbinden, werden diese verschraubt, geklammert oder verklebt. Alles in allem geht die Herstellung von Leistungselektronik mit einer Vielzahl einzelner Komponenten und einem hohen Montageaufwand einher.

Viel einfacher wäre es, Kühlelemente sowie Funktionselemente aus einem wärmeleitfähigen Kunststoff zu fertigen. Durch die Verwendung von Kunststoff anstelle von Metall reduzieren sich die Werkzeugkosten, da keine spanende Bearbeitung erforderlich ist. Auch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht wird überflüssig. Und schließlich können zudem die Montageschritte aufgrund einer verringerten Anzahl von Bauteilen reduziert und automatisiert werden.

Leiterplatte plus Spritzguss = LED-Lampe

Wie dies in der Konstruktion praktisch umgesetzt werden kann, demonstriert 3M Technical Ceramics am Beispiel einer neuartigen LED-Taschenlampe. Im Gegensatz zu herkömmlichen LED-Lampen besteht sie aus lediglich zwei Bauteilen: einer Leiterplatte sowie einem Kunststoffkörper, der direkt per Spritzguss um die Leiterplatte geschmolzen wird.

Technisches Herzstück der Lampe ist eine im 90-Grad-Winkel geknickte Leiterplatte der Firma Häusermann. Dank ihres dreidimensionalen Designs sind hier eine leistungsstarke Leuchtdiode und die elektronische Steuerungseinheit in einer einzigen Platine integriert.

Das Material für den wärmeleitenden Kunststoffkörper basiert auf einem Luvocom-Compound der Firma Lehmann+Voss. Mit seinem speziellen Know-how im Bereich der Compoundierung formuliert das Unternehmen maßgeschneiderte Werkstoffe für ganz spezielle Kundenanforderungen.

Der Kühlkörper für die Demo-LED-Taschenlampe setzt sich zu 60 Prozent aus dem Kunststoff PET und zu 40 Prozent aus 3M™ Bornitrid Cooling Filler zusammen. Bornitrid macht aus dem nicht wärmeleitfähigen Kunststoff einen zuverlässigen Wärmeleiter.

Flexible Formgebung

In Sachen Formgebung wandte sich 3M Technical Ceramics an die RF Plast GmbH, einen Spezialisten in der Entwicklung und Fertigung anspruchsvoller Kunststoffformteile. Da die Formgebung des Compound-Materials ausgesprochen flexibel ist, konnte ein einteiliges Design realisiert werden, welches die Kühlfunktion und die ergonomische Form der Taschenlampe miteinander vereint. Im Spritzguss lässt sich auch eine aufwändige Kühlrippenstruktur umsetzen, welche die Oberfläche des Geräts auf ein für die Kühlung notwendiges Maß vergrößert. Für die Fertigstellung der LED-Taschenlampe wird die Leiterplatte direkt mit dem Compound umspritzt. Weitere Montageschritte sind nicht erforderlich.

Die von der Leuchtdiode erzeugte Wärme wird einfach über den fest mit ihr verbundenen Kunststoffkörper abgeleitet. Die LED-Lampe mit der Lichtleistung einer 40 Watt Glühbirne erhitzt sich maximal auf unkritische 73°C am LED Halbleiter und 40°C am Gehäuse. Ohne Bornitrid würde die Temperatur bei gleicher Lichtleistung auf weit über 150°C ansteigen. Die LED würde überhitzt und somit zerstört werden.

Kühlkörper aus Kunststoff mit Bornitrid-Beimischung

Durch die Beimischung von Bornitrid werden Kunststoffe wärmeleitfähig. Sie sind gleichzeitig elektrisch isolierend. Kunststoffe mit Bornitrid-Beimischung lassen sich hervorragend spritzgießen: Sie füllen bei niedrigem Druck auch feine Cavitäten und sind nicht abrasiv. Spritzgusswerkzeuge werden dadurch nicht verschlissen. Kurzum: Bornitrid ermöglicht es, mit konventionellen Technologien in der Elektronik-Konstruktion ganz neue Wege zu gehen.

Ein entscheidender Vorteil von Kühlkörpern aus elektrisch isolierenden, aber thermisch leitfähigen Kunststoffen besteht darin, dass die wärmeerzeugende Elektronikeinheit direkt auf den Kühlkörper montierbar ist. Zusätzliche Isolationsmaßnahmen sind nicht erforderlich.

Herkömmliche Kühlkörper spreizen die Wärme über eine - im Vergleich zum Bauelement – große Fläche auf und geben sie z.B. an die Luft ab. Eine so komplexe Formgebung wie die des LED-Taschenlampenkörpers wäre nur mit sehr hohem Energieaufwand möglich. Kühlkörper aus wärmeleitfähigem Kunststoff hingegen können in frei wählbaren Formen hergestellt werden – mit beliebigen Strukturen zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberfläche.

Vereinfachter Produktionsprozess

Ein weiteres Argument ist der einfache Produktionsprozess im Vergleich zur Verwendung herkömmliche Kühlelemente aus Metall. Denn das Anbringen einzelner Kühlelemente oder die Montage von Leiterplatten auf Kühlelementen durch Kleben oder Klemmen erfordert zusätzliche, meist manuelle und damit teure Montageschritte. Hinzu kommt, dass die unterschiedliche Wärmeausdehnung bei großflächig verklebten Verbindungen von Leiterplatte und metallischem Kühlkörper zu mechanischen Spannungen führen kann. Probleme, die durch den Einsatz von Kühlelementen aus Kunststoff gelöst werden können.

Die Möglichkeiten der Verwendung thermisch leitfähiger Kunststoffe in der Elektronik sind vielfältig: Wie am Beispiel der LED-Taschenlampe demonstriert, können die Polymere genutzt werden, um elektronische Funktionselemente zu umspritzen und damit gleichzeitig mechanisch zu fixieren.

Die Vorteile wärmeleitfähiger Kunststoffe können in vielen Bereich genutzt werden: In der Automobil-Elektronik können Sie eingesetzt werden für Sensoren, Heizsysteme, LED-Beleuchtung oder Elektromotor-Komponenten. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist die Unterhaltungselektronik, vom LED-Fernseher über Smart Phones bis zu Tablets.

Die Vorteile wärmeleitfähiger Kunststoff-Kühlkörper auf einen Blick

  • Kurze Entwicklungszeit und geringe Entwicklungskosten durch die Kombination einfacher Technologien
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit dort, wo sie gebraucht wird
  • Gewichtsreduktion gegenüber metallischen Kühlkörpern
  • Reduzierte Produktions- und Montagekosten
  • Grenzenlose Design-Möglichkeiten
  • Entwärmung ohne weiteren Isolationsaufwand

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