Informationen zum Thermal Management

Hier finden Sie unsere Wärmeleitfolien, -klebebänder, Silikonfolien und Gap-Filler: zu den Produkten

Wärmetransport als Funktion von Wärmeleitfähigkeit und Materialstärke

Es besteht ein direkter, linearer Zusammenhang zwischen der Materialstärke und dem Wärmestrom, der durch das Material hindurch transportiert werden kann.

Faustregel: Will man durch ein Material doppelter Stärke die gleiche Wärmemenge transportieren, muss die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls verdoppelt werden.

Vorteil also für Kapton MT+: sehr gute Wärmeleitfähigkeit bei geringer Materialstärke und sehr guter Spannungsfestigkeit

Wichtig dabei: diese Aussage bezieht sich nur auf den Transport innerhalb des homogenen Materials - der Wärmeübergangswiderstand ist dabei nicht berücksichtigt.

Wie wird Wärmeleitfähigkeit gemessen?

Nach der ASTM D5470 wird die Wärmeleitfähigkeit eines Testmaterials wie folgt bestimmt: Ein beheizter Metallblock liefert die Wärmequelle. Getrennt durch das wärmeleitenden Material befindet sich darunter ein weiterer Metallblock, der als Wärmesenke (ggf. gekühlt) dient. Dicht über und unter dem wärmeleitenden Material sind Temperatursensoren angebracht.

Nachdem sich ein stabiler Wärmestrom eingestellt hat, wird die Temperaturdifferenz ermittelt, die durch das Testmaterial erzeugt wird. Daraus errechnet sich die Wärmeleitfähigkeit.

Vorteil dieser Methode gegenüber der Laserflash-Methode: auch die Rauigkeiten an der Oberfläche des Materials werden mit gemessen. Denn in der realen Einbausituation werden auch immer die Übergangswiderstände an den Schnittstellen der einzelnen Materialien eine Rolle spielen

Thermal Interface Material

Wärmeleitung ist nicht nur eine Frage der verwendeten Materialien

Der Wärmeübergang z.B. von dem Gehäuse eines Leistungs-Transistors auf einen Aluminium-Kühlkörper kann recht schlecht ausfallen. Oberflächen-Rauigkeiten reduzieren die direkte Kontaktfläche, die für die Wärmeleitung notwendig ist, um etwa 20-40%.

Durch die Verwendung von z.B. Wärmeleitwachsen (PCM, Phase Change Material) kann man diesen Nachteil vermeiden. Das bei Raumtemperatur feste Wachs schmilzt bei der ersten Inbetriebnahme auf und füllt die Kavitäten aus. Der Wärmestrom kann ohne Unterbrechungen durch Lufteinschlüsse fliessen.

Die Lösung: Reduktion des Wärmeübergangs-Widerstands durch wärmeleitfähige Beschichtungen!

Wärmeleitung

Wichtige Überlegungen zur Wärmeleitfähigkeit kurz zusammengefasst

Wichtig bei allen Überlegungen: in sehr vielen Fällen ist nicht die spezifische Wärmeleitfähigkeit (W/mK) entscheidend, sondern die Benetzungsfähigkeit (Formschluss), die Dicke (Wegstrecke für Wärmestrom) und die Querschnittsfläche des Wärmeleitpfades. 

Elektronische Geräte werden immer kleiner und leistungsfähiger. Das stellt Entwicklungsingenieure vor immer größere Herausforderungen, denn auch die Lebensdauer elektronischer Geräte wird durch Wärme massiv beeinflusst. Die kompakte Bauweise vieler Elektronikbaugruppen und Vorgaben vom Design erfordern ein effizientes Heatmanagement. Wärmeleitende Silikonfolien, dünne, wärmeleitende Kaptonfolien und dicke, Toleranzen ausgleichende Gap-Filler sind dabei wesentliche Bestandteile neben den Kühlkörpern oder Heatpipes.

In den meisten Fällen werden die Produkte als Stanzteile benötigt. Dafür stehen Hub-Stanzen, Rotationsstanzmaschinen und Hochleistungs-Schneidplotter zur Verfügung. Von Stückzahl 1 bis in den Bereich von Millionen Stanzteilen. 

Odoo Text- und Bildblock

Warum ein schlechter spezifischer Wärmeleitwert kein Nachteil sein muss

Im Allgemeinen vergleicht man zunächst die in Datenblättern gerne hervorgehobenen spezifischen Wärmeleitwerte in W/m*K. Doch dieser Wert ist nur ein erster Anhalt bei der Auswahl des geeigneten TIM-Produktes.

Neben Fragen wie

  • der Notwendigkeit galvanischer Trennung,

  • des verfügbaren Bauraums,

  • dem thermisch-dynamischen Verhaltens im Betrieb (Lebensdauerbetrachtung) oder

  • dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen

sind die sogenannten Übergangswiderstände und die Materialdicke entscheidende Faktoren. Sie bestimmen bisweilen wesentlich die Effizienz einer Entwärmungsmaßnahme.

Bezüglich der Einflüsse des Wärmeübergangswiderstandes finden Sie hier nähere Erläuterungen.

Paxisbeispiel: Schaut man sich einmal eine Burgwand an, dann ahnt man, was damit gemeint ist, dass die Materialdicke einen Einfluß hat auf den Wärmetransport. Es dauert lange, bis Wärme oder Kälte durch eine so dicke Wand dringt (einschließlich der spezifischen Wärmekapazität). Im Gegensatz dazu ist eine Zeltwand nahezu sofort von Wärme oder Kälte durchdrungen.

Normiert man die Fläche einmal zu 1 (m², cm², inch³…), so erscheint in der Berechnungsformel für den Wärmewiderstand

Rth = l / (λ * A) -> nur noch der Term l / λ 

Anhand einiger typischer Produkte aus dem Wärmemanagement kann man nun den Vergleich herstellen zwischen Produkten mit guter spezifischen Wärmeleitfähgkeit und großer Materialstärke im Vergleich zu z.B. Kapton® MT Folie mit vergleichbar schlechter spezifischer Wärmeleitfähigkeit.

Material Stärke in mm Spezifischer Wärmeleitwert Wärmewider-stand (normierte Fläche)
MP 7016-020D, PCM
0,015 1,0 0,015
CMC 15811 trägerlos AC
0,020 1,0 0,02
CMC 15005, Silikon-Folie
0,200 5,0 0,04
CMC 73250, Kapton® MT
0,025 0,45 0,06
TF 5320F, Acrylat
0,200 3,3 0,06
TR-5912F, trägerlos, AC
0,125 1,1 0,11
CMC 73450, Kapton® MT
0,050 0,45 0,11
CMC 15020, Silikon-Folie
1,00 5,0 0,2
TR 5925F, Acrylat
0,250 1,1 0,23
CMC 15014, Silikon-Folie
3,00 2,0 1,5

Folgerung: Wie man leicht erkennt, haben ein dicker Werkstoff mit guter spezifischer Wärmeleitfähigkeit und eine relativ schlecht wärmeleitende Kapton Folie mit sehr geringer Dicke den gleichen Thermischen Widerstand pro Flächeneinheit.

Das mit 2 W/m*K über vier Mal besser leitfähige Material im Vergleich zu Kapton MT hat dennoch einen höheren Wärmewiderstand, da es deutlich dicker ist (3 mm).

Wärmeleitpad Silikon

Beispiel: Wärmeleitad aus gefülltem Silikonmaterial

 

Wärmeleitpad Gap-Filler


Bedarf an Wärmeleitung in verschiedensten Anwendungen und Industrien

Wärmeleitende Produkte von CMC werden kundenspezifisch hergestellt für folgende Anwendungen:

IT-Technik: WLAN-Router, Server, Notebooks, VOIP-Telefone, Speichermodule, Fetplatten und Drucker

Stromversorgung: Wechselrichter, Stromrichter, Netzkomponenten (Smart Grid), Unterbrechungsfreie Stromversorgungen, DC/DC Wechselrichter, Solarwechselrichter, Motorsteuergeräte

Automobiltechnik: Tagfahrlicht, Bremslichter (LED-Leiste), Elektronik für Servolenkung, ABS-Bremsmodule, Autoelektronik, Leistungshalbleiter

Haus- und Beleuchtungstechnik: Leistungs-LED-Lampen, Smart Meter, Audiogeräte, LCD Fernseher

sowie in der Medizintechnik und im Elektromotoren- und Generatorenbau.

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