Wärmeleitpasten

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Dosiermedien

Wärmeleitpasten

Damit Leistungselektronik einen kühlen Kopf bewahrt

Elektronische Bauteile werden immer leistungsfähiger und kleiner. Die Wärmeentwicklung pro Fläche in elektronischen Komponenten wird durch fortschreitende Miniaturisierung immer höher. Damit diese Komponenten eine lange Lebensdauer erreichen und der Betrieb störungsfrei erfolgen kann, muss die entstehende Wärme effizient abgeführt werden. Dies gelingt entweder durch aufwändige aktive Kühlung mit einem Medium (Luft, Kühlmittel) oder durch die Anbindung einer passiven Wärmesenke mit Wärmeleitpaste.  

Wärmeleitpasten sind pastöse 1K- oder 2K-Medien, welche im Wesentlichen aus einer polymeren Matrix bestehen, welche mit einem wärmeleitfähigen Füllstoff formuliert wurden. Dieser ermöglicht den effizienten Wärmetransport und Spaltüberbrückung zwischen der Wärmequelle (elektronische Komponenten) sowie dem Kältedepot (Gehäuse oder Kühlmedium). Die polymere Matrix (häufig bestehend aus Silikon, Epoxy oder Polyurethan) hält den Füllstoff nach dem Aushärten an Ort und Stelle.  Über die Bauteillebensdauer treten keine isolierenden Luftspalte mehr auf, welche den Wärmeübertrag stören würden. 

Im Vergleich zu festen Pads (auch GapPads genannt) oder Folien, bieten wärmeleitfähige Pasten den Vorteil, dass sie sich optimal an die individuellen Konturen des Bauteils anpassen und somit flexibler einsetzbar sind. Luftspalte werden verhindert und die Wärmeleitfähigkeit wird erhöht. 

Die Wärmeleitfähigkeit wird durch den Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ bestimmt (W/mK).  Je höher der Wert, desto mehr Wärme kann insgesamt pro Zeiteinheit übertragen werden.  Heute existieren Materialien, welche Leitwerte von über 7 W/mK aufweisen. 

Wärmeleitpasten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit von 7,0 W/mK stellen hohe Anforderungen an die Materialaufbereitung und Dosiertechnik.

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Anwendungsgebiete und Anforderungen

Wärmeleitpasten werden überall eingesetzt, wo elektronische Komponenten effizient gekühlt und störende Umgebungsbedingungen vollständig ausgeschlossen werden müssen. Die Automobil- und Elektroindustrie sowie zahlreiche andere Branchen nutzen die Möglichkeit der Wärmeleitpasten, die entstehende Wärme effizient aus der Leistungselektronik abzuführen. Eine häufige Anwendung sind steigende Energiedichten bei Batterien im Bereich der Elektromobilität, als auch für andere mobile Anwendungen. 

Da die Ansprüche an die Wärmeleitfähigkeit immer weiter steigen, wird zunehmend ein höherer Anteil an Füllstoff in die Formulierung eingebracht. Diese Füllstoffe werden hinsichtlich ihrer Korngrößenverteilung und geometrischer Oberflächenbeschaffenheit für einen effizienten Wärmetransport von den Materialherstellern optimiert. Die isolierende Eigenschaft des umgebenden Kunststoffes soll möglichst wenig Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit ausüben. Typische Füllstoffe für Wärmeleitpasten sind Aluminiumoxid und Bornitrid, welche aufgrund ihrer Härtegrade auch in Schleifpasten Anwendung finden. Neben den keramischen Füllstoffklassen werden auch Formulierungen mit Metallpartikeln eingesetzt, vor allem in Anwendungen, welche gleichzeitig eine elektrische Leitfähigkeit erfordern. 

Neben der Polymermatrix und den Füllstoffen werden zur Steuerung der rheologischen Eigenschaften sowie der Benetzbarkeit der Füllstoffe noch spezielle Additive eingesetzt. Diese beeinflussen die Funktion sowie die Verarbeitbarkeit der Formulierung.  Der geringe Anteil an Polymermatrix bei Vorhandensein von zum Teil hoch abrasiven Füllstoffen stellt besondere Herausforderungen an die Anlagenauslegung und die eingesetzten Dosierkomponenten. Hohe Wartungskosten und Anlagenstillstandzeiten müssen vermieden werden. 

Wärmeleitpasten müssen möglichst ohne Verschleiß an Komponenten des Dosiersystems verarbeitet werden.

Verarbeitung von Wärmeleitpasten 

Wärmeleitpasten, unabhängig ob als 1K- oder 2K-System, stellen die eingesetzte Dosiertechnik vor grundlegende Herausforderungen. Dies ist die Abrasivität der Füllstoffe, welche möglichst ohne Verschleiß an Komponenten des Dosiersystems verarbeitet werden müssen. Zum anderen der geringe Anteil an Polymermatrix welcher unter hohem Druck und mechanischer Belastung zur Separation vom Füllstoffanteil der Rezeptur neigt.

bdtronic nutzt seit Jahren erfolgreich Exzenterschneckenpumpen zur Applikation von Wärmeleitpasten. Sie bietet im Vergleich zu anderen Pumpensystemen durch ihre robuste und verschleißarme Technik einige Vorteile. Zahnradpumpen geraten bei derartig hoch gefüllten Materialien schnell an ihre Verschleißgrenze. Kolbendosierer wiederum müssen durch ihr komplexes Design bei der Wartung häufig mühevoll und langwierig instandgesetzt werden.

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