Zukunftsweisende Technologien

Electrolube, Derbyshire (UK)

Die CPUs und GPUs von Computern gehören zu den naheliegendsten Bereichen, in denen ein ausgezeichnetes Wärmemanagement unerlässlich ist. Es gibt jedoch auch andere wachsende Märkte, in denen Wärmemanagement eine immer wichtigere Rolle spielt.

Ein gutes Beispiel ist die schnell expandierende herstellende Industrie für Leuchtdioden (LEDs). LEDs ersetzen immer mehr die traditionellen Beleuchtungsmethoden (fluoreszierend und weißglühend) z.B. in LCD-TV-Hintergrundbeleuchtungen, elektronischen Schildern und Anzeigetafeln und werden auch in neuen Bereichen wie Tageslicht-Scheinwerfern in einigen Automobilen eingesetzt. Die durch LEDs entstehende Wärme muss wie bei CPUs abgeleitet werden, um eine optimale Leistung sicher zu stellen.

Andere Beispiele sind: Photovoltaik-Inverter, die bekanntermaßen sehr empfindlich auf Temperaturen reagieren; Verbindungen zwischen Wärmerohren und Wassertanks bei solarbetriebenen Heizungsanlagen; Wasserstoff-Brennstoffzellen; Windkraftanlagen. Tatsächlich benötigt jedes Gerät, in dem Energie in Form von Wärme von einem Medium zu einem anderen zu transportieren ist, ein ausgezeichnetes Wärmemanagement.

Newtons Gesetz der Wärmeübertragung legt fest, dass die Rate des Wärmeverlustes proportional zum Temperaturunterschied des Körpers und seiner Umgebung ist. Wenn also die Temperatur der Komponenten steigt, entspricht die Rate des Wärmeverlustes pro Sekunde der Wärme, die pro Sekunde innerhalb der Komponente entsteht. Wie bereits erwähnt, kann die produzierte Wärme einiger Komponenten so hoch sein, dass ihre Lebensdauer sich erheblich reduziert oder die Komponente sogar ausfällt.

Eine Möglichkeit, Wärme vom Gerät abzuleiten besteht darin, einen Kühlkörper anzubringen, der den Oberflächenbereich künstlich erweitert. Der Kühlkörper besteht meistens aus einem hochleitenden Material (normalerweise ein Metall), so dass die Hitze von der Komponente weggeleitet werden kann. Die Hitze verliert sich hauptsächlich über die Oberfläche eines Körpers in die Umgebung. Deshalb ist ein Kühlkörper normalerweise mit “Finnen” ausgestattet, die den Oberflächenbereich pro Volumeneinheit maximieren.

Das Gerät und der Kühlkörper sind in den meisten Fällen feste Substrate, die mechanisch miteinander verschraubt werden. Idealerweise sollten die Oberflächen dieser Substrate vollständig glatt sein, aber das ist praktisch unmöglich. Daraus resultieren Luftspalten an den Schnittstellen zwischen Gerät und Kühlkörper. Luft ist bekanntermaßen ein sehr schlechter Wärmeleiter (0,024 W/m K). Die Schnittstelle zwischen Kühlkörper und Gerät wird so zu einem großen Engpass, der eine schlechte Wärmeableitung verursacht.

Daher ist es notwendig, diese Luftspalte mit einem Material zu füllen, das eine maßgeblich verbesserte Wärmeschnittstelle zwischen den zwei Substraten herstellt. Dieses Material kann eine Wärmeleitpaste, ein Wärmeleitkleber, ein RTV (Wärmeleitgummi), ein Wärmekissen oder ein anderes wärmeleitendes Medium sein. Es ist am effektivsten, eine möglichst geringe Menge des Produkts aufzutragen, um die Luftspalte zu füllen, und auf diese Weise den Wärmewiderstand so gering wie möglich zu halten. Trägt man zuviel Material auf, steigert dies den Wärmewiderstand der Schnittstelle und führt so zu einer Leistungsminderung.

In den meisten Fällen bedeutet eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch vermehrten Füllstoffanteil, dass das Material hoch viskos ist. Daher muss die Möglichkeit eines Lufteinschlusses bei der Aufbringung des Produkts berücksichtigt werden, d.h. ein hoch-viskoses Material erhöht das Risiko, Luft in der Einheit einzuschließen und die Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, ein niedrig-viskoses Material einzusetzen, um das Risiko eines Lufteinschlusses zu minimieren.

Wenn man Wärme übertragende Produkte klassifiziert, muss die Messmethode für Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt werden. Einige Techniken messen nur die Summe des Wärmewiderstands eines Materials und des Kontaktwiderstandes eines Materials oder Instruments. Electrolube setzt eine Wärmestrom-Methode ein, die diese beiden Werte separat misst. Daraus resultiert, dass die angegebenen Werte mit dieser Wärmestrom-Methode näher an der “wahren” Wärmeleitfähigkeit des Materials liegen. Alternative Methoden, die den Wärmewiderstand und den Kontaktwiderstand eines Materials oder Instruments nicht separat messen, mögen eindrucksvoller wirken, aber diese höheren Messwerte sind weniger präzise.

Das Unternehmen bietet Lösungen für Wärmemanagement-Schnittstellen in Form von Wärmeleitpasten, Silikon-RTVs (Wärmeleitgummis), Epoxidklebern und Vergussmassen auf Epoxid- oder Polyurethanbasis an.

Wärmeleitende Pasten – die manchmal auch als Fette bezeichnet werden – bestehen aus wärmeleitenden Füllstoffen in einer Trägerflüssigkeit: die Füllstoffe können eine Mischung aus einem oder mehreren Mineralfüllstoffen sein. Die Mischung ist abhängig von den genau benötigten Eigenschaften. Die Trägerflüssigkeit kann ein silikonfreies oder silikonhaltiges Medium sein.

Wärmeleitpasten härten nicht aus. Daher stellen sie die beste Lösung dar, wenn Nachbesserungen und eine spätere Reparierbarkeit wichtig sind. Es sollte eine dünne Schicht zwischen dem Gerät und dem Kühlträger aufgetragen werden, um die Luftspalten zu füllen und den Kontakt zu verbessern. Die Wärmeleitpaste kann auf verschiedene Weise aufgetragen werden, z.B. durch Schablonendruck, Siebdruck, automatische Beschichtungsgeräte oder durch ein Druckluftspray wie HTCA.

Das Unternehmen bietet silikonhaltige und silikonfreie Wärmeleitpasten an. Silikonhaltige Produkte weisen im Gegensatz zu ihren silikonfreien Pendants eine niedrigere Ölblutung und weniger Gewichtsverlust durch Verdunstung auf und bieten höhere Temperaturgrenzwerte, die 200° C übersteigen können. Es gibt jedoch Anwendungen, wo Silikone nicht geeignet sind, z.B. wenn Geräte empfindlich auf Silikonverunreinigungen reagieren. Die silikonhaltigen Wärmeleitpasten tragen die Bezeichnungen HTS und HTSP: HTS ist die Standard-Wärmeleitpaste auf Silikonbasis. HTSP ist eine Paste mit höherer spezifischer Wärmeleitfähigkeit und gut geeignet, wenn Wärmeableitung in hohem Maß kritisch ist. Auch wurden zwei silikonfreie Wärmeleitpasten – HTCX und HTCPX – entwickelt. Diese “Xtra”-Versionen der HTC- und HTCP-Pasten bieten eine höhere Wärmeleitfähigkeit, eine niedrigere Ölblutung und weniger Gewichtsverlust durch Verdunstung. Tatsächlich besitzen die “Xtra”-Versionen ebenso gute oder in manchen Fällen sogar bessere Eigenschaften bei der Ölblutung und beim Gewichtsverlust durch Verdunstung als die silikonhaltigen Pasten des Unternehmens.

Für gewisse Anwendungen ist es wünschenswert, ein Produkt einzusetzen, das später aushärtet und eventuell sogar zwei Oberflächen miteinander verbinden soll. Das Unternehmen bietet drei Produktarten, die in diese Kategorie fallen: TBS, TCOR und TCER.

TBS (Wärmeleitkleber) ist ein starker 2-Komponenten Epoxid-Kleber, der entwickelt wurde, um einen Kühlkörper mit der Komponente zu verbinden. Zusätzlich zu den Mineralfüllstoffen enthält der Kleber kleine Glasperlen mit kontrolliertem Durchmesser. Diese sorgen dafür, dass eine Schichtdicke (dem Durchmesser der Perlen entsprechend) erreicht wird, die eine optimale Leistung ermöglicht.

TCOR und TCER zählen zu den neutral aushärtenden, silikonbasierten RTV-Produkten. TCOR ist ein Wärmeleitkleber, der bei der Aushärtung Oxim abgibt. TCER gibt bei der Aushärtung Ethanol ab. Ein Vorteil von TCER besteht darin, dass es eine sehr niedrige Viskosität und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als TCOR hat. TCOR weist jedoch eine verbesserte Verbundfestigkeit auf.

Bei einigen Arten von Schaltkreisen, die Wärme produzieren, wie z.B. in Netzgeräten, kann es von Vorteil sein, das Gerät in einen Kühlkörper einzuschließen, indem man eine wärme-leitende Vergussmasse einsetzt. Das Unternehmen produziert eine Vielzahl an 2-Komponenten Vergussmassen, bei denen Epoxid- und Polyurethan-Technologien eingesetzt werden.

ER2074 gilt als Aushängeschild für wärmeleitfähige Vergussprodukte. Dieses hochgefüllte Epoxidharz besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit (1,26 W/m K), ist jedoch ebenfalls hoch viskos (16700 cPs).

ER2183 ist eine niedrig-viskose Version von ER2074 (5000 cPs). Die reduzierte Menge an Füllstoffen, um diese Viskosität zu erreichen, hat nur geringe Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit. ER2183 hat eine 70 % niedrigere Viskosität, weist aber nur eine 13-%ige Minderung der Wärmeleitfähigkeit auf (1,1 W/m K). UR5097 ist ein Polyurethan-Vergussmasse, die eine ähnliche Viskosität wie ER2183 aufweist (6000 cPs). Dieses Produkt bietet eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (0,65 W/mK), und verfügt zusätzlich über die UL94V0-Zertifizierung. Es ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen ein wärmeleitendes, flammhemmendes Kunstharz benötigt wird.