Wärmemanagementmaterialien für elektronische Verpackungen

Einführung

Elektronische Geräte erzeugen Wärme, wenn sie in Betrieb sind. Mehr Wärme verringert ihre Leistung und Lebensdauer. Ein Wärmemanagement ist erforderlich, damit sie sicher verwendet werden können. Die Materialien in der elektronischen Verpackung tragen dazu bei, die Wärme abzuführen.

Grundprinzipien des Wärmemanagements

Elektrische Systeme erzeugen aufgrund von Leistungsverlusten Wärme. Weitere Wärme belastet die Schaltkreise und vermindert die Leistung. Das Gesamtkonzept des Wärmemanagements besteht darin, die Wärme so zu verteilen, dass eine konstante Temperatur erreicht wird. Dies geschieht in der Regel durch Wärmeleitung, Konvektion und gelegentlich auch durch Strahlung. Zur Ableitung der Wärme von empfindlichen Bauteilen werden geeignete Materialien verwendet. Ingenieure wählen diese Materialien sorgfältig nach den Anforderungen des Geräts und der zu erwartenden Wärmebelastung aus.

Metalle: Hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit

Metalle sind häufig das Material der Wahl für das Wärmemanagement. Sie verfügen über eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Kupfer nimmt unter den Metallen eine Sonderstellung ein. Kupfer weist eine Wärmeleitfähigkeit von fast 400 Watt pro Meter Kelvin auf. An zweiter Stelle folgt Aluminium mit etwa 205 Watt pro Meter Kelvin. Metalle besitzen auch eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit. In elektronischen Gehäusen leiten Kühlkörper und Grundplatten auf Kupfer- oder Aluminiumbasis die Wärme effektiv ab. Ihre effektive Wärmeleitung wird genutzt, um die Bauteile auch unter anspruchsvollen Bedingungen temperatursicher zu betreiben.

Keramiken: Leitfähigkeit mit Isolierung

Keramiken sind auch insofern hilfreich, als dass sie nicht nur Wärme leiten, sondern auch elektrisch isolieren. Aluminiumnitrid zum Beispiel besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von fast 170 Watt pro Meter Kelvin. Diese Keramik wird häufig in Substraten für die Leistungselektronik verwendet. Siliziumkarbid ist ebenfalls eine Keramik, die dort eingesetzt wird, wo Isolierung und Wärmeleitung erforderlich sind. Die Eigenschaften von Keramik erlauben es, sie dort einzusetzen, wo elektrische Isolierung und ständige Wärmeübertragung gleichzeitig stattfinden müssen. Sie sind sehr häufig in Hochspannungsanwendungen zu finden.

Polymere und wärmeleitende Verbundwerkstoffe

Polymere haben ein geringes Gewicht und sind flexibel. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo das Gewicht eine Rolle spielt. Reine Polymere leiten Wärme nur selten gut, aber mit Füllstoffen können sie ihre Leistung erheblich steigern. So können Polymere, die mit Bornitrid oder Graphen versetzt sind, Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 10 Watt pro Meter Kelvin aufweisen. Sie finden Anwendung in tragbaren Geräten, bei denen zusätzliches Gewicht ein Nachteil ist. Dank ihrer Flexibilität können sie in verschiedenen Designs und Abmessungen geformt werden, um unterschiedlichen Kühlanforderungen gerecht zu werden.

Thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs)

Bei guten Wärmespreizern können die Kontaktstellen zwischen den Elementen nicht ideal sein. Kleine Öffnungen behindern die Übertragung von Wärme. Wärmeschnittstellenmaterialien füllen diese Öffnungen auf. TIMs sind in der Regel in Pasten- oder Padform erhältlich. Pasten auf Silikonbasis sind weit verbreitet. Sie ermöglichen einen effizienten Wärmefluss von einem Element zum anderen. Diese Arten von Materialien sind in Geräten mit hoher Leistungsdichte unerlässlich. Ihre Aufgabe ist es, den Wärmewiderstand zu verringern und die Betriebstemperaturen unter Kontrolle zu halten.

Phasenwechsel und fortschrittliche Nanomaterialien

Einige der Lösungen für das Wärmemanagement beruhen auf Phasenwechsel-Eigenschaften. Sie absorbieren Wärme in einem Zustandsübergang von fest zu flüssig. Der Prozess senkt die Temperaturspitzen im Falle von Hochleistungszyklen. Phasenwechselmaterialien werden bei Anwendungen mit variablen Temperaturen eingesetzt. Auch fortschrittliche Nanomaterialien werden in Betracht gezogen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanofüllstoffe können beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit erheblich verbessern. Bei einigen fortschrittlichen Verbundwerkstoffen steigt die Wärmeleitfähigkeit auf etwa 20 Watt pro Meter Kelvin. Sie werden in Hochleistungscomputern und LED-Beleuchtung eingesetzt und bieten neue Möglichkeiten für die Kontrolle der Wärme in Geräten, die hohen Anforderungen an die Leistung ausgesetzt sind.

Fazit

Das Wärmemanagement von Elektronikgehäusen ist sehr wichtig, um Schäden an den Geräten zu vermeiden und ihre Lebensdauer zu verlängern. Metalle, Keramiken und Polymere haben unterschiedliche Eigenschaften, um die Bewegung oder Ableitung von Wärme zu unterstützen. Thermische Grenzflächenmaterialien helfen beim freien Wärmefluss zwischen Räumen. Phasenwechselmaterialien und Nanomaterialien bieten neue Lösungen für schwer zu lösende Wärmeprobleme.

Häufig gestellte Fragen

F: Welches Material hat eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit in der Elektronik?

F: Kupfer ist ein hochwertiges Metall, das für seine Leitfähigkeit von fast 400 Watt pro Meter Kelvin bekannt ist.

F: Welche Rolle spielen Keramiken in elektronischen Gehäusen?

F: Keramik bietet eine effektive Wärmeübertragung und elektrische Isolierung für Hochspannungsanwendungen.

F: Warum brauchen Geräte Wärmeleitmaterialien?

F: Sie füllen winzige Zwischenräume und verringern den Widerstand zwischen den Teilen, um eine effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen.

Referenz:

[1] Wärmemanagement (Elektronik). (2025, 12. Mai). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_(Elektronik)