Fujitsu Laboratories / Elektromobilität Wärmeleitende Klebefolie aus Kohlenstoff-Nanoröhren

Die klebende Wärmeleitfolie aus Kohlenstoff-Nanoröhren lässt sich biegen.
Die klebende Wärmeleitfolie aus Kohlenstoff-Nanoröhren lässt sich biegen.

Kohlenstoff-Nanoröhren haben eine etwa zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, aber sie sind schwer zu verarbeiten. Nun hat Fujitsu eine einfach zu handhabende, selbstklebende, flexible Wärmeleitfolie basierend auf Kohlenstoff-Nanoröhren entwickelt, deren Wärmeleitfähigkeit 100 W/m·K beträgt.

Kohlenstoff-Nanoröhren haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gelten als aussichtsreicher Kandidat für die Entwärmung von Halbleitern beispielsweise in Power-Modulen in Elektroautos. Doch aufgrund seiner Brüchigkeit ist dieses Material nach wie vor schwierig zu verarbeiten, was es für viele Zwecke unbrauchbar macht.

Im Jahr 2017 entwickelten die Fujitsu Laboratories eine gut wärmeleitende Folie unter Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhren. Um ihr eine Form zu geben, wurde die Folie jedoch bei einer Temperatur von +2000 °C oder höher gesintert und geformt. Das Ergebnis war ein Material, das starr ist. Eine solche steife Folie lässt sich zwar auf planen Oberflächen anbringen, eignet sich aber nicht für die Befestigung an unebenen Flächen.

Zudem ist es in Zonen rund um Halbleiterbauelemente notwendig, sowohl den Halbleiter selbst als auch den Kühlkörper über eine aus Kohlenstoff-Nanoröhren bestehende Wärmeableitfolie mechanisch zu verbinden, beispielsweise durch Verkleben. Üblicherweise werden Kohlenstoff-Nanoröhren dadurch haftfähig gemacht, dass sie in ein haftendes Material wie Harz oder Kautschuk gemischt werden und daraus eine Folie gezogen wird. Da diese Klebestoffe Wärme leider nur schlecht leiten, war es äußerst schwierig, ein adäquates Maß sowohl an Wärmeleitfähigkeit als auch an Adhäsion zu erreichen.

Fujitsu Laboratories hat eine Technik entwickelt, mit der sich vertikal ausgerichtete Kohlenstoff-Nanoröhren unter Beibehaltung ihrer Orientierung laminieren lassen. Das Laminat besteht aus zwei Schichten, einer Schutzfolie und einer Klebeschicht. Dadurch schützen sie jeweils die Ober- und Unterseite der Kohlenstoff-Nanoröhren (Bild 1). Dies macht sie formstabil und erleichtert das Schneiden und das Handling, was bei herkömmlichen Technologien schwierig war.

Die Haftschicht besteht aus einem Polymer, das mehrere Mikrometer dick ist. Doch selbst nur ein wenig Harz kann einen großen Wärmewiderstand darstellen. Durch Optimierung von mindestens drei korrelierenden Parametern – Dichte der Kohlenstoff-Nanoröhren, Art und Dicke des Harzes und der Haftbedingungen, unter Ausnutzung der Kenntnisse über den Wärmewiderstand an der Grenzfläche zwischen Kohlenstoff-Nanoröhren und Harzen –, wurde es möglich, ausreichende Hafteigenschaften beizubehalten, ohne die Wärmeleitfähigkeit zu beeinträchtigen.

Die neu entwickelte Klebefolie aus Kohlenstoff-Nanoröhren hat eine bis zu dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als das übliche Wärmeleitmaterial aus Indium. Da die Folie mit Haft- und Schutzschichten laminiert ist, lässt sie sich leicht schneiden und verarbeiten und eignet sich für Anwendungen, die eine Verklebung erfordern (Bild 2).

Mit diesen Technologien könnten Kohlenstoff-Nanoröhren als wärmeableitende Materialien praxisgerecht eingesetzt werden, unter anderem in Automobil-Leistungsmodulen für Elektroautos.

Fujitsu möchte die Nutzung seiner neu entwickelten Klebefolien aus Kohlenstoff-Nanoröhren an Unternehmen der Material- und Elektroindustrie lizenzieren. Darüber hinaus wird das Unternehmen auch weiterhin deren Einsatz in einer Vielzahl kommerzieller Anwendungen unterstützen.