Alles, was isoliert – Isolationsfolien für Netzteil-Hersteller

Hersteller und Verwender von Stromversorgungen sehen sich heute mehr denn je mit Anforderungen konfrontiert, die außerhalb der reinen Elektronik-Schaltung liegen. Verkürzte Luft- und Kriechstrecken, Wärmestaus und EMV sind Auswirkungen der Aufgabe, immer kompakter zu werden.

Hochleistungsbausteine wie SiC-MOSFET-Transistoren und verbesserte GaN-Transistoren ermöglichen extrem kurze Schaltzeiten und hohe Betriebsspannungen. Die höhere Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen zudem eine höhere Leistungsdichte, wobei dadurch die Anforderung an den Wärmepfad erhöht wird. Die konzentriert auftretende Verlustwärme muss effizient abgeleitet werden.

Die hohe Betriebsspannung von bis zu 1200 V vergrößert die erforderlichen Luft- und Kriechstrecken. Die Materialauswahl wird bestimmt durch Werte wie dem cti (comperative tracking index), HWI (hot wire ignition), die Entzündbarkeit (z.B. UL94), HAI (high arc ignition) und die Dicke durch die Isolation (dti).

CMC Klebetechnik hat für die meisten Isolationsaufgaben in und rund um Schaltnetzteile eine Lösung parat. Durch das umfangreiche Sortiment an unterschiedlichsten Isolationsfolien kann flexibel auf sich ändernde Anforderungen reagiert werden. Einige typische Anwendungen sollen im Weiteren einmal beschrieben werden:

Isolation zwischen Leiterplatten Größere Geräte und elektronische Anlagen bestehen oft aus mehreren Platinen, die zueinander einen gewissen Abstand haben. Sollte dabei die vorgeschriebene Luft-Strecke zwischen spannungsführenden Teilen unterschritten werden, kann man diese durch geeignete Maßnahmen vergrößern. Typisch ist der Einsatz einer eigenstabilen Isolationsfolie (Stanzteile) zwischen den Platinen wie zum Beispiel 190µm oder 250µm dicke Polyesterfolie. Durch sie wird die Luftstrecke verlängert und so die Betriebssicherheit erhöht. Eine einlaminierte Metallfolie (mit Erdungspunkt) kann zusätzlich als Schutz vor gegenseitiger elektromagnetischer Beeinflussung wirken.

Isolation gegen das Metall-Gehäuse

Gerade dann, wenn hohe Schaltfrequenzen eingesetzt werden und eine kompakte Bauform gefordert wird, kommen häufig Metallgehäuse zum Einsatz. Um in diesem Fall die Berührung zwischen spannungsführenden Bauteilen (z.B. Löt-Pins) und Gehäuse zu vermeiden, verwendet man 100µm starke, selbstklebende Polyesterfolien. Sie werden, meist bereits als Stanzteil ausgeführt, auf das Gehäuse aufgeklebt. Selbst Erschütterungen und daraus resultierende Reibung auf der Folie werden von der mechanisch sehr beständigen Polyesterfolie abgefangen.

Brandhemmende Barrieren

In Baugruppen gibt es immer wieder die Anforderung, Teilbereiche oder das Gesamtgerät durch Brandbarrieren zu schützen. Dazu kann man u.a. Metallgehäuse verwenden. Jedoch ist auch der Werkstoff Formex® dafür geeignet. Diese Polypropylen-Folien zwischen 127µm und 760µm Stärke sind nach UL 94 V0 eingestuft. Sie genügen damit den üblichen Brandschutzanforderungen in elektronischen Geräten. Formex® ist sehr gut stanzbar und kann leicht geknickt werden. Aus Formex® hergestellte, gefaltete Stanzteile dienen als Ersatz für Metallgehäuse. Es ist ausserdem bedruckbar und natürlich bedeutend leichter als metallische Gehäuse. Der cti-Wert von 0 (beste Einstufung für cti-Werte) und die relativ hohe Temperaturbeständigkeit von 115°C prädestinieren Formex® für Isolationsaufgaben mit Brandschutzanforderungen.

Kupferfolien und Kupfer/Isolationsfolien-Laminate

Höhere Packungsdichte, größere Leistung bei kleinster Bauform sind nur zu erreichen, wenn die Taktfrequenz bei Schaltnetzteilen erhöht wird. Durch die steilen dV/dt – Schaltflanken beim Ein- und Ausschalten entstehen Oberwellen bis in den Megahertz-Bereich. Sie können Geräte in ihrer Umgebung stören. Ebenso können externe Quellen von Funkwellen die empfindliche Regelelektronik komplexer Netzteile stören. Eine wirksame Maßnahme dagegen kann der Einsatz von EMV-Schirme sein. Dies sind üblicherweise Formteile aus Metall. Eine einfache, kostengünstige und leicht zu montierende Möglichkeit für EMV-Schirme sind gestanzte Kupferklebeband-Stanzteile. Schon eine 30µm dicke Kupferfolie schirmt gerade hohe Frequenzen extrem gut ab. Wo notwendig, können diese Kupferfolien auch ein oder beidseitig isoliert werden (Kupfer – Isolationsfolien – Laminat).

Polyesterfolien und Polyesterklebebänder

Ganz allgemein verwendet man bei den Übertragern, Spulen und Transformatoren in Netzteilen Polyesterfolien als Isolation. Zum Beispiel als schützende Isolationslage zwischen sekundärer und primärer Seite eines Netz-Transformators. Bei höheren Temperaturanforderungen können auch Teonex®-Klebebänder (155°C) oder Kapton®-Klebebänder (180°C) eingesetzt werden. Es gibt sie von CMC Klebetechnik in Breiten von 2 mm bis 300 mm in 1/10 Schritten. Auf diese Weise kann im Grunde genommen jeder auf dem Markt beschaffbare Spulenträger verwendet werden – die passende Breite des Isolationsklebebandes steht immer zur Verfügung.

Wärmemanagement – Wärme effizient ableiten

Umso höher die Leistungsdichte in einem Schaltnetzteil oder anderem elektronischen Gerät wird, desto höher werden die Anforderungen an das Wärmemanagement. Das fängt bei der maximalen Junction-Temperatur von Leistungshalbleitern an und endet an der maximal erlaubten Oberflächentemperatur des Gerätes. Die CMC Klebetechnik bietet für diesen Bereich ein umfassendes Sortiment an wärmeleitenden Materialien an. Zur Auswahl stehen sehr dünne Folien, die wärmeleitend plane Flächen verbinden und sie voneinander elektrisch isolieren. Sehr dünne bis zu mehrere Millimeter dicke Silikonfolien (Gapfiller) erlauben auch bei rauen oder ungleichmäßigen Oberflächen eine gute thermische Anbindung. Außerdem gleichen solche Produkte gut mechanische Verformungen aufgrund der Erwärmung aus.

Um punktuelle Hot-Spots zu entwärmen, verwenden Entwickler gerne sogenannte Heat-Spreader. Das sind im Prinzip Materialien, die punktuelle Erwärmung möglichst rasch auf eine große Fläche verteilen. Auf diese Weise erreicht man eine schnelle Wärmeabfuhr und kann diese dann z.B. an einen Kühlkörper weitergeben. Als besonders geeignet haben sich Metallfolien aus Aluminium oder Kupfer erwiesen. Wo notwendig, können jedoch noch effizientere Heat-Spreader wie Graphit (z.B. Speadershield™) eingesetzt werden. Gegenüber Kupfer (ca. 360 W/mK) erreichen solche Materialien eine Wärmeleitfähigkeit in der Fläche von bis zu 1200 W/mK (also viermal so hoch wie Kupfer). Sie spreizen die entstehende Hitze besonders effizient. Ausserdem passt sich Graphit gut an eine leicht raue Oberfläche an und kann unter Druck (z.B. Klammern) auch Maßtoleranzen in Grenzen ausgleichen.

Wie man aus der obigen Aufzählung von Folienmaterialien erkennen kann, bietet die CMC Klebetechnik ein umfassendes Programm an Isolationsfolien und Stanzteilen daraus an. Für dem Wärme-Managementbereich stehen unterschiedlichste Folien zur Verfügung, die allesamt ebenfalls als kundenspezifische Stanzteile geliefert werden können. Die Liste der möglichen Anwendungen ist bei weitem nicht vollständig (z.B. Isolationsstanzteile und Topfkern-Übertragern oder wärmeschrumpfende Isolationsfolien für Leistungskondensatoren). CMC Klebetechnik steht daher gerne mit einem gut ausgerüstetem, eigenen Labor auch bei kundenspezifischen Entwicklungen bereits in einer frühen Projektphase bereit.

Alles, was isoliert – Isolationsfolien für Netzteil-Hersteller