Thermal Management in der Elektronik

2. März 2020 by
CMC Klebetechnik GmbH

Eine bekannte Faustregel aus der Elektronik besagt, dass eine Reduktion der Temperatur um 10°C die Lebensdauer eines Bauelements verdoppelt.

Das zeigt: Thermal Management ist ein wichtiges Thema für LED Anwendungen, Solar-Konverter und zum Beispiel Leistungselektronik wie z.B. IGBT-Einheiten. Eben überall da, wo Wärme in eng begrenzten Räumen entsteht und zur Überhitzung führen kann.

Wärmeleitende Isolationsfolien, Silikonfolie, Metallfolien

CMC Klebetechnik bietet leistungsfähige Produkte (z.B.  Kapton® MT) zum "Wärme ableiten" an. Damit die Wärme möglichst schnell vom Entstehungsort abgeführt werden kann.

Grob unterteilt wird dabei in wärmeleitende Materialien, die auch elektrisch leitend sind und solchen Produkten, die zwar die Wärme leiten, elektrisch jedoch isolierend wirken. Neben den hier beschriebenen Kapton® Varianten erhalten Sie auch wärmeleitende Silikonfolien und Gapfiller von CMC. Alle diese Lösungen sind nicht nur für Gerätehersteller interessant, sondern auch für EMS-Dienstleistern.

Die wärmeleitenden Folien und Gapfiller können eingesetzt werden als galvanische Trennung gegenüber dem Kühlkörper oder Wärmespreizer, zum Ausgleichen von Unebenheiten auf der Platine oder sind bei Bedarf auch sehr dünn und platzsparend: CMC Klebetechnik bietet das richtige Material für Ihren Wärmeleitpfad an - in der Elektronikfertigung, dem Transformatorenbau, für elektrische Antriebe, elektrische Heizungen in Trocknern, Lufterhitzern, Ölerwärmern, für Leistungs-LED Beleuchtungen, Rohrbegleitheizungen oder in anderen wärmetechnischen Anwendungen: Heatmanagement on demand.

Kapton® Polyimid-Folien bieten hohe elektrische Spannungsfestigkeit, eine extreme Temperaturbelastbarkeit, einen geringen Schrumpf und können nicht brechen. Sie sind daher vor allem in der Elektronik-Industrie gerne eingesetzte Folien für z.B. Flexible Printed Circuits, Isolationen und für die Wärmeleitung. Kapton® MT Folien können auch als Ersatz für Aluminiumoxyd-Keramikscheiben eingesetzt werden (biegsam, bruchfest). Wegen ihrer geringen Dicke haben sie einen geringen Wärmewiderstand.

Ausgleich von Wärmeübergangswiderständen

Für das Wärme-Management (Thermal Management) in der Elektrotechnik und Elektronik bietet CMC Klebetechnik auf Basis der wärmeleitenden Kapton® MT Folien Varianten mit verschiedene Beschichtungen an. Diese Beschichtungen gleichen Oberflächenrauigkeiten aus und verringern dadurch erheblich die sich bildenden Übergangswiderstände. Kapton® MT Folien ergänzen wesentlich alle Produkte, die von CMC für das Heatmanagement in der Elektronik angeboten werden.

Andere Möglichkeiten zur Verbesserung des Wärmeübergangswiderstandes sind z.B. weiche Silikonfolien oder Wärmeleitpasten (mehr Informationen dazu auf www.cmc.de)

Ist keine Isolationsfunktion gefordert bzw. durch einen mechanisch definierten Abstand gewährleitet, kann man zur thermischen Anbindung auch Wärmeleitpasten verwenden. Diese bieten optimale Oberflächenbenetzung und bei dünnen Schichten hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Es gibt sie in silikonhaltiger und silikonfreier Ausführungen. Wichtig dabei das Alterungsverhalten (Auspumpen, Herausquetschen, Fließfähigkeit, Wärmebeständigkeit usw.).

Weitere Anwendungen für wärmeleitende TIM-Produkte sind: Industrie-, Straßen-, Schiffs-, Fassaden- und Parkplatzbeleuchtungen, Stadion- und Bühnenscheinwerfer sowie Fahrzeug-Frontscheinwerfer, On-Board Charger, Stromrichter, Rectifiers DC/AC, Converters DC/DC in E-Mobilen (Powertrain), Servoumrichter sowie Hochleitungselektronik und in der Medizintechnik. Auch für Power-Grids, Batterie-Technologie, dU/dT-Filtern, Entstörfilter allgemein, Hochleistungskondensatoren, Super-Caps und Automotive Anwendungen (HEV, OBC, DC/DC Wandler).

Wichtig: Überlegungen zum Einsatz von TIM-Produkten im Rahmen der Lebensdauerbetrachtung (Life-Cycle)

  • Verhalten von TIM-Materialien bei Flächenpressung (Pump-Out)

  • Verhalten verschiedener TIM-Materialien im Powercircle (Degration)

  • Veränderungen des thermischen Widerstandes bei Vorhandensein von Schwingungen

  • Welche mechanische Spannung wird durch das TIM auf das Bauteil übertragen

  • Rückstellfähigkeit (z.B. bei Powercircle mit CTE – Pumpen) von TIM`s (z.B. Silikonfolien)

  • Verhalten bei Temperaturzyklen und Schockbelastung von Interface-Materialien

  • Ausgleichverhalten von TIM`s bei Verformungen höherer Ordnung (konkav, konvex, wellig)

  • Chemische Beständigkeit und Verhalten innerhalb von Elektrischen Isoliersystemen

  • Brandverhalten von TIM`s

  • Änderung der Spannungsfestigkeit über Alterung oder Verformung (Dickenreduktion)

  • Setzverhalten von Gapfillern und wärmeleitenden Gelen bei mechanischer Belastung

  • Einbau"regeln", um das richtige TIM bei der richtigen Belastung auszuwählen (z.B. kontanter Druck oder konstantes Spaltmaß)

  • Lebensdauerverhalten allgemein von TIM`s

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, Buck-Boost DC/DC Wandler; Hochleistungswiderstände mit Aluminium-Gehäuse/Kühlkörper, Netzspannungsstabilisatoren, Systeme zur Blindleistungskompensation, Energiespeichersysteme, Aktive Filter, Wärmeableitung an passiven Bauelementen wie z.B. Kondensatoren, Widerständen, Übertrager, für Ladegeräte von Elektrofahrzeuge, in Hochspannungsnetzteilen, für elektronische Transformatoren und Wärmemanagement in Umrichtern für die Photovoltaik, Verkehrstechnik und Windenergie

Automobiltechnik: Tagfahrlicht, Bremslichter (LED-Leiste), Elektronik für Servolenkung, ABS-Bremsmodule, Autoelektronik, Leistungshalbleiter, HV-Junctionbox, Akkucontainer, Car Control Unit (CCU), HV-Klimaanlage, HV ACC, HV-Booster, Batteriespeichersysteme, HV-Batterien

Einsatzmöglichkeiten von Wärmeleitmaterialien in Fahrzeugen:

  • Wärmemanagement für Geräten wie den On Board Charger (OBC), der Battery Junction Bock (BJB), dem Cell Supervising Circuit (CSC), dem Battery Management System (BMS), dem Electric Drive Unit (EDU), dem Power Inverter Modul (PIM), High Power Distribution Modul (HPDM), dem Batterie Coolant Heater und dem Air Conditioning Compressor Modul sowie den verschiedenen DC/DC Invertern (Accessory Power Modul) für Spannungen unterhalb des Hochvoltbatterie-Levels (z.B. 48VDC, 12 VDC und 5 VDC), Hochsetz-/Tiefsetzsteller

  • Ableitung von Verlustwärme innerhalb der Batterie (z.B. über die Anschlussfahnen, Batteriegehäuse, Busbar`s)

  • Wärmeleitende Isolation für Hochleistungselektronik (z.B. Bordladegerät, Frequenzumrichter für den Antriebsmotor)

  • Wärmemanagement für den Elektromotor und die Motor-Control-Einheit

  • für die thermische Anbindung von SuperCaps für eine höhere Lebensdauer

  • Schutz von Leistungs-LED`s (z.B. Frontscheinwerfer, LED-Leisten) vor Überhitzung

Haus- und Beleuchtungstechnik: Leistungs-LED-Lampen, Smart Meter, Audiogeräte, LCD Fernseher, Smart Meter Gateway (SMGW), LED Treiber, Konstantstromquellen

Kühltechnik, Schaltschrankklimatisierung, Kühlmodule: Selbstverständlich können auch Kühlaggregate, Wärmepumpen und Peltierelemente (thermoelektrische Kühlmodule) mittels TIM-Produkte an Wärmesenken angebunden werden

In WBG (Wide Bandgap) Electronics (SiC, GaN) oder Silikon-basierend (IGBT, Thyristor) mit höheren Betriebstemperaturen und leistungsintensiven, dichtgepackten Anwendungen garantiert Kapton® langfristig dank hoher Temperaturbeständigkeit elektrische Isolation und Wärmeleitung.

Zur Isolation und Wärmeableitung an passiven Bauteilen wie Drosseln, Kondensatoren, Filter an Umrichtern, Leistungswiderständen, Stromwandlern, Thermistoren, Bremswiderständen, Netzfiltern, Übertragern und in Systemen zur Blindleistungskompensation, Entladewiderstände zur sicheren Entladung von Batterien oder Kondensatoren in der z.B. E-Mobility

Zur Isolation und Wärmeableitung bei aktiven Bauteilen wie Leistungsmodule, MOSFETs, Thyristoren, Leistungsdioden, Gleichrichter, Power System in Package (PSiP), IGBTs, Heizer aus Dickschicht-Widerständen (Thick film heating elements)

Für die Anbindung von Temperatursensoren an die zu überwachende Oberfläche, zur Verbesserung der thermischen Leitung in Wärmetauschern, bei Kühlkörpern und Lüftern

sowie in der Medizintechnik und im Elektromotoren- und Generatorenbau.

Applications for thermal conductive Kapton® MT/MT+ are found in nearly all kind of industry, especially for these markets and applications:

  • Electrical Energy Storage

  • Transportation (trains, busses, etc)

  • UPS and Motor Drives

  • Silicon Carbide (SiC) Applications

  • EV and HEV automotive applications

  • Telecommunication

  • HV- Airheater and HVCH (High-Voltage Coolant Heater)

  • Alternative Energy such as Wind and Solar

  • (High voltage) Heat pumpe

  • Industrial Power Conversion

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