Effektives Thermomanagement

Wenn die Temperatur eines Bauteils steigt und seine Gleichgewichtstemperatur erreicht, entspricht der Grad des Wärmeverlusts pro Sekunde der erzeugten Wärme im Bauteil für denselben Zeitraum. Diese Temperatur kann hoch genug sein, um die Lebensdauer des Bauteils wesentlich zu verkürzen oder sogar ein Versagen des Geräts zu verursachen. In solchen Fällen müssen Thermomanagementmaßnahmen ergriffen werden. Die gleichen Überlegungen können auf einen gesamten Kreislauf oder ein ganzes Gerät angewendet werden, das Wärme produzierende Bauteile enthält.

Bei einem erzwungenen Luftzug ist der Grad des Wärmeverlusts höher als bei stiller Luft, weswegen eine Methode zur Steuerung der Temperatur eines Geräts oder Kreislaufes darin besteht, einen order mehrere Ventilatoren einzubauen, um so den Luftdurchsatz zu erhöhen. Selbst die Sicherstellung einer ausreichenden allgemeinen Lüftung führt zu einer niedrigeren Betriebstemperatur, als wenn der Kreislauf sich in einem geschlossenen Raum ohne Lüftungsschlitze befindet. Ein Punkt, über den hinweg gesehen werden kann, ist, dass die reduzierte Luftdichte in großer Höhe zu einer weniger effektiven Wärmeübertragung an die Umgebung und folglich zu höheren Betriebstemperaturen führt.

Die Wärme wird über die Oberfläche des Bauteils an seine Umgebung abgegeben. Der Grad des Wärmeverlusts steigt mit zunehmender Oberflächengröße des Bauteils; ein kleines Gerät, das 10 Watt erzeugt, erreicht eine höhere Temperatur als ein ähnlich leistungsstarkes Gerät mit einer größeren Oberfläche. Genau da setzen Wärmeableiter an – Wärmeableiter in unterschiedlichen Größen und Formen können so konzipiert werden, dass sie die Wärmeabstrahlung durch eine deutlich vergrößerte Oberfläche maximieren. Das Gerät und der Wärmeableiter sind für gewöhnlich feste Substrate, die mechanisch mit Schraubbolzen aneinander befestigt werden. Im Idealfall sollten die Oberflächen dieser Substrate absolut glatt sein, aber das ist normalerweise nicht möglich. Infolgedessen sind an der Schnittstelle des Geräts und des Wärmeableiters Luftspalten vorhanden, was die Effizienz der Wärmeübertragung deutlich vermindert.

Wärmeübertragungspräparate werden verwendet, um die Luftspalten an der Schnittstelle des Bauteils und des Wärmeableiters zu beseitigen. Diese Präparate sind dafür konzipiert, die Lücke zwischen dem Gerät und dem Wärmeableiter zu füllen, um den Wärmewiderstand an der Grenze zwischen den beiden zu reduzieren. Dies führt zu einem schnelleren Wärmeverlust an den Wärmeableiter und einer niedrigeren Betriebstemperatur des Geräts. Erhältlich sind nicht aushärtende und aushärtende Produkte. Aushärtende Produkte werden oft als Verbundmaterial verwendet. Beispiele dafür sind Silikone mit Raumtemperaturvulkanisierung (RTV) oder Epoxidgemische – die Wahl hängt oft von der erforderlichen Verbundfestigkeit oder dem Betriebstemperaturbereich ab.

Wärmeleitmaterialien gibt es in Form von Pasten, Verbundmaterialien/Klebstoffen oder wärmeleitfähigen Matten. Die nicht aushärtenden Pasten sind ideal für Anwendungen, bei denen eine Umarbeitung erforderlich sein könnte; sie bestehen aus unterschiedlichen Basisölen, um eine große Bandbreite an erwünschten Eigenschaften zu bieten, wie etwa der große Betriebstemperaturbereich, den Produkte auf Silikonbasis bieten. Durch Fortschritte im Bereich der silikonfreien Technologien in letzter Zeit kamen Produkte mit erheblich vermindertem Ölaustritt und Gewichtsverlust durch Verdunstung bei gleichzeitiger Verbesserung ihrer Wärmeleiteigenschaften auf den Markt. Zu diesen Produkten gehört auch HTX von Electrolube. Dieses verwendet geschützte Zusatzstoffe, um die Ausrichtung von wärmeleitfähigen Partikeln erheblich zu verbessern – dies führt zu einer gesteigerten Gesamtleistung.

Es können auch Wärmeleitklebstoffe erforderlich sein, die fest aushärten; diese haben entweder eine hohe oder niedrige Verbundfestigkeit. Materialien mit hoher Verbundfestigkeit sind unter anderem Produkte auf Basis von Epoxidharz. Andere Materialien bieten möglicherweise auch eine Bandbreite an Eigenschaften, die die einzelnen Anwendungsanforderungen erfüllen. Zum Beispiel bietet das neue Silikon mit RTV, TCORP, die beste Kombination aus Viskosität, Betriebstemperaturbereich, Wärmeleitung und Verbundfestigkeit für elektronische Anwendungen.

Bei allen wärmeleitfähigen Materialien ist es sehr wichtig, sicherzustellen, dass die Schnittstelle zwischen dem Gerät und dem Wärmeableiter vollkommen gefüllt ist und verdrängt ist. Dies geschieht üblicherweise, indem eine gewisse Menge des Präparats in der Mitte oder in einem bestimmten Muster auf der Kontaktfläche des Geräts oder des Wärmeableiters aufgetragen wird und die zwei zusammengebracht werden, wobei überflüssiges Material verdrängt wird. Durch das verdrängen der Luft an den Schnittstellen, wird ein niedrigerer Wärmewiderstand und eine niedrigere Betriebstemperatur erreicht. Das leitfähige Wärmeübertragungspräparat hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Wärmeableiters; daher sinkt der Wärmewiderstand, wenn die Dicke der Schicht an der Schnittstelle so gering wie möglich gehalten wird, und dies wiederum senkt die Betriebstemperatur. Es ist jedoch wichtig, sicherzustellen, dass die geringere Schichtdicke nicht zu Luftlücken in der Beschichtung führt.

Es ist möglich, die Dicke der Schicht genau zu prüfen, indem man sehr kleine feste Glaskugeln (Ballotini) mit einem festen Durchmesser in die Paste oder das Kunstharz einbringt – die Dicke der Lücke wird durch den Durchmesser bestimmt. TBS verwendet diese Technologie, um eine korrekte Anwendung sicherzustellen und die maximale Verbundfestigkeit bei minimalem Wärmewiderstand zu erhalten.

Eine andere Option zur Kontrolle der Ableitung von Wärme von elektronischen Geräten ist die Verwendung eines wärmeleitfähigen Verkapselungsharzes. Diese Produkte dienen dazu, die Einheit vor umweltbedingten Angriffen zu schützen und gleichzeitig eine Ableitung der im Gerät erzeugten Wärme an seine Umgebung zu erlauben. Verkapselungsharze umfassen auch die Nutzung von wärmeleitfähigen Füllstoffen. Das Grundharz, der Härter und andere verwendete Zusatzstoffe können jedoch abgeändert werden, um eine große Bandbreite an Optionen zu bieten:

Systeme auf Epoxidharzbasis bieten einen hohen Schutzgrad in rauen Umgebungen und härten zu einem robusten, steifen Produkt aus. Der Shorehärte-Wert eines wärmeleitfähigen Epoxidharzes liegt üblicherweise bei etwa D80. Das neueste Epoxidharz des Unternehmens, ER2220, bietet einen verbesserten Wärmeleitfähigkeitswert von 1,54 W/m.K., und ER2221 kombiniert eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit niedriger Viskosität.

Systeme auf Polyurethanbasis bieten auch ausgezeichneten Schutz unter verschiedensten schwierigen Bedingungen, kombinieren dies jedoch auch mit der Flexibilität, die mit Polyurethanmaterialien erreicht werden kann. Daher können ihre Shorehärte-Werte an die erforderlichen Anwendungseigenschaften angepasst werden. Üblicherweise liegt ein wärmeleitfähiges Polyurethan bei etwa A85 innerhalb der weicheren Shorehärte-Skala. UR5633 ist ein Polyurethanharz mit hoher Wärmeleitfähigkeit und gutem Widerstand gegenüber feuchten Umgebungen.

Systeme auf Silikonbasis kombinieren die Flexibilität von Polyurethan mit den Hochtemperatureigenschaften eines Silikonmaterials, womit sie ideal zur Verwendung in Anwendungen geeignet sind, in denen die Betriebstemperatur 130 °C übersteigen könnte. SC2003 ist ein sehr gutes Beispiel für solche Harzsysteme.

Angesichts der steigenden Zahl von Anwendungen, die für die Thermomanagementprodukte erforderlich sind, entwickelt das Unternehmen weiterhin Lösungen für eine Vielzahl an Branchen, unter anderem den LED-Markt. LEDs ersetzen traditionellere Beleuchtungsmethoden in Anwendungen wie der Hintergrundbeleuchtung von LCD-Fernsehern, elektronischen Schildern und Anzeigetafeln und der Automobilbeleuchtung. Die von den LEDs erzeugte Wärme muss abgeleitet werden, um eine optimale Leistung, Effizienz und eine lange Lebensdauer der LED-Leuchtmittel zu erreichen. In Abhängigkeit von der Konstruktion können alle Thermomanagementprodukte für diese Anwendung geeignet sein, egal, ob sie einfach nur eine Wärmeübertragung bieten oder auch für Schutz vor der Umgebung oder einen erwünschten kosmetischen Glanz sorgen.

Thermomanagementprodukte bieten auch Lösungen für eine bessere Effizienz in der Entwicklung grüner Energien; einige Beispiele dafür sind etwa Photovoltaik-Wechselrichter, die bekanntermaßen besonders empfindlich auf Wärme reagieren, Verbindungen zwischen dem Wärmerohr und dem Wasservorratstank für Solarheizungsanwendungen, Wasserstoffbrennstoffzellen, Windstromgeneratoren oder Batterien für Elektrofahrzeuge. Der fortwährende Trend der Produktminiaturisierung – zusammen mit moderneren, leistungsstärkeren Geräten – hat sichergestellt, dass ein effizientes Thermomanagement ein unerlässlicher Bestandteil der Konstruktion moderner und zukünftiger Elektronik ist. Das Unternehmen arbeitet zusammen mit seinen Kunden für die Entwicklung optimaler Produkte und bietet überall dort Thermomanagementlösungen, wo eine Wärmeableitung erforderlich ist. Die innovative Bandbreite erhältlicher Optionen wird ständig weiter ausgebaut.