Welches Material ist das richtige?
Wärmemanagement von LED-Baugruppen
Es gibt viele Möglichkeiten, das Wärmemanagement von LED-Produkten zu verbessern. Welche Rolle spielt in diesem Zusammenhang das thermische Material?
Klebstoffe, Verbundstoffe oder Pasten, Gießharze und Wärmeleit-Pads: Die Auswahl an Materialien, die das thermische Management von LED-Baugruppen beeinflussen, ist vielfältig. LEDs werden immer leistungsfähiger, daher muss auch das Material für die Entwärmung entsprechend berücksichtigt werden.
Widmen wir uns zuerst den thermischen Verbundstoffen wie Wärmeleitmaterialien, um Luftspalte zwischen den Kontaktflächen zu beseitigen und so die Effizienz der Wärmeableitung von der LED zu verbessern. Solche Materialien wurden entwickelt, um die Spalte zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper auszufüllen und somit den Wärmeleitwiderstand am Übergang zwischen den beiden Komponenten zu reduzieren. Das bewirkt einen schnelleren Wärmeverlust und eine geringere Betriebstemperatur des Gerätes. Aushärtende Produkte lassen sich ebenfalls als Verbundmaterial nutzen, wie z.B. RTV-Silikone (Raum-Temperatur vernetzend) oder Epoxidharze – die Entscheidung hängt oft von den Anforderungen an die Klebkraft des Verbundstoffes oder an die Betriebstemperatur ab. Feste Stoffe wie sog. Gap-Pads und Phase-Change-Materialien sind auch möglich, wenn ein dünnes Foliensubstrat verwendet wird. Daher sollten erste Überlegungen bei der Produktwahl dahingehend erfolgen, ob ein aushärtendes Produkt erforderlich ist, um den Kühlkörper fest zu positionieren, oder ob ein nicht aushärtendes Material wie Wärmeleitpaste eher passt, um die Option von Nacharbeiten zu ermöglichen.
Silikonhaltige- und silikonfreie nicht aushärtende Produkte sind ebenfalls möglich; Silikonprodukte verfügen über eine höhere Temperaturgrenze von 200°C und aufgrund des verwendeten Silikon-Trägeröls über eine geringere Viskosität. Das führt uns zum nächsten Aspekt bei der Produktwahl, da auf Silikon basierende oder silikonhaltige Produkte für bestimmte Anwendungen nicht zugelassen sein könnten. Der Grund können mehrere Faktoren sein, wie etwa Anwendungsanforderungen, mögliche Probleme bei der Reinigung oder bei Verklebungen. Solche Probleme treten aufgrund der Migration von niedermolekularen Siloxanen auf; diese flüchtigen Bestandteile können die Oberflächenspannung des Substrates verringern, auf das sie gelangen, sodass sich eine Reinigung oder ein Anhaften schwierig gestalten kann. Des Weiteren kann die Migration niedermolekularer Siloxane wegen ihrer elektrisch-isolierenden Natur zum Ausfall von elektronischen Komponenten führen. Electrolube formuliert Produkte aus Rohmaterialien, die speziell für die Elektronikindustrie entwickelt wurden. Deshalb werden silikonhaltige Produkte ausschließlich dann eingesetzt, wenn niedermolekulare Komponenten überwacht werden und sich auf ein absolutes Minimum beschränken. Als Alternative lassen sich bei kritischen Anwendungen auch silikonfreie Produkte nutzen.
Als weitere Option zum Regeln der Wärmeleitung aus einem elektronischen Gerät kann ein wärmeleitendes Gießharz eingesetzt werden. Diese Produkte wurden entwickelt, um der Einheit Schutz vor äußeren Einflüssen zu bieten, gleichzeitig aber auch zu ermöglichen, dass die innerhalb des Gerätes entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. In diesem Fall wird das Gießharz zum eigentlichen Kühlkörper und leitet die Wärmeenergie vom Gerät weg. Solche Produkte lassen sich verwenden, um LEDs und die sie tragenden Leiterplatten von der Rückseite her zu vergießen und darüber hinaus die Leiterplatte mit einem Schutzüberzug zu versehen. Ferner können sie, je nach Farbe, die Reflektion von Licht unterstützen. Diese Gießharze verwenden wärmeleitende Füllstoffe, jedoch lassen sich das Basisharz, der Härter und andere Zusätze im Hinblick auf zahlreiche Optionen austauschen und ggf. durch Materialien auf Epoxid-, Polyurethan- und Silikon-Basis ersetzen.
Die verschiedenen chemischen Optionen bieten eine Vielzahl von Eigenschaften, die je nach den Anforderungen der endgültigen Anwendung in Erwägung zu ziehen sind. So hat beispielsweise ein Material aus Polyurethan eine ausgezeichnete Flexibilität, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, was einen großen Vorteil gegenüber einem Epoxidmaterial darstellen kann. Ein Silikonharz kann diese Flexibilität bei niedrigen Temperaturen ebenfalls erfüllen, zeigt jedoch auch bei hohen Temperaturen eine hervorragende Leistungsfähigkeit, weit mehr als die anderen zur Verfügung stehenden chemischen Stoffe. Die Silikonprodukte sind in der Regel teurer. Epoxide sind sehr hart und bieten bei zahlreichen rauen Umgebungen einen exzellenten Schutz. Sie bestehen aus festen Materialien mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und in einigen Fällen lässt sich das Produkt mit einem gewissen Maß an Flexibilität formulieren. Die Formulierung von Gießharzen kann kundenspezifischen Eigenschaften mit einem breiten Produktspektrum für individuelle Anwendungen dienen, sodass zu empfehlen ist, die jeweiligen Anwendungsgebiete mit dem Materiallieferanten zu besprechen.
Egal ob es sich um Vergussmassen oder um Verbundmaterial handelt: Alle Lücken im thermisch leitfähigen Medium reduzieren die Wärmeabgabe. Bei Verbundmaterialien hat die Viskosität eines Produktes oder die mögliche Mindeststärke für eine Anwendung große Auswirkungen auf den Wärmewiderstand, und deshalb kann ein überaus leitfähiger Stoff mit hoher Viskosität, der nicht gleichmäßig auf eine Fläche aufgebracht werden kann, einen höheren Wärmewiderstand und eine geringere Effizienz in der Wärmeabgabe aufweisen, wenn dieser Stoff mit einem Produkt von niedrigerer Viskosität und mit einer geringeren spezifischen thermischen Leitfähigkeit verglichen wird. Bei Gießharzen lässt sich das ähnlich formulieren: Je höher die Viskosität, desto schwieriger ist es für das Harz, sich gleichmäßig um die Einheit zu verteilen, sodass sich eventuell in der Vergussmasse Luftspalten bilden, die die Wärmeabgabe reduzieren. Hierbei ist es wichtig, dass der Anwender die spezifische thermische Leitfähigkeit, den Wärmeübergangswiderstand, die Schichtstärken und Auftragverfahren berücksichtigt, um im Ergebnis eine optimale Wärmeübertragung zu erreichen.
Jade Bridges ist European Technical Support Specialist bei Electrolube.
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