Bild 1: Pyrolytisch Graphitfolie leitet Wärme besser als Kupfer.

Bild 1: Pyrolytisch Graphitfolie leitet Wärme besser als Kupfer. Panasonic

Die zunehmende Leistungsdichte bei gleichzeitig weniger Bauraum in elektronischen Geräten fordern das elektronische Design in punkto Wärmemanagement heraus. Das betrifft insbesondere kleine portable Geräte wie Smartphones und Tablets (Konsumelektronik), diskrete Leistungsbausteine (Spannungswandler, CPU-Chipsets) und -module oder auch LED-Beleuchtungssysteme. Panasonic Automotive & Industrial Systems hat für die thermische  Kopplung/Entkopplung von eng benachbarten Komponenten ultradünne Materialien entwickelt, welche eine hohe thermische Leitfähigkeit oder Isolationsfähigkeit aufweisen.

Effiziente Wärmeableitung mit Graphitfolien

In der Kommunikationsinfrastruktur von technischen Anlagen gibt es zunehmend komplexere elektronische Systeme, die auf kleinstem Raum funktionieren müssen: Intelligente Fabriken – Stichwort Industrie 4.0 – führen zu einem verstärkten Einsatz sensorgestützer Überwachung und Kontrolle. Zahlreiche Medizingeräte sollen möglichst klein und bequem tragbar sein. Solar-Kollektoren müssen mit der Erwärmung durch ständige Sonneneinstrahlung zurechtkommen. In all diesen Fällen muss Wärme gespreizt und abgeführt werden, damit die elektronischen Systeme zuverlässig und langlebig funktionieren.

Eckdaten

Pyrolytisch erzeugte Graphitfolien (PGS) von Panasonic erreichen je nach Foliendicke hohe thermische Leitfähigkeiten von 700 bis 1950 W/m·K. In mikroelektronischen Geräten mit wenig Bauraum kann das dünne, leichte und flexible Material Verlustwärme sehr effizient und platzsparend abführen. Um den Wärmefluss von Heat Spots zu benachbarten elektronischen Bauteilen zu blockieren, hat der Hersteller ein dünnes Isolationsvlies auf Silikat-Basis entwickelt, welches eine äußerst geringe thermische Leitfähigkeit von 0,014 bis etwa 0,021 W/m·K ausweist.

Bild 2: Die parallelen großflächigen Graphitkristallschichten sind hoch wärmeleitend, im Gegensatz zu anderen Materialien mit räumlich durcheinander liegenden Mikrokristallen.

Bild 2: Die parallelen großflächigen Graphitkristallschichten sind hoch wärmeleitend, im Gegensatz zu anderen Materialien mit räumlich durcheinander liegenden Mikrokristallen. Panasonic

Pyrolytisch erzeugte Graphitfolien (Pyrolytic Graphite Sheet, PGS – Bild 1) sind von Panasonic neu entwickelte, ultraleichte Graphitfolien, deren thermische Leitfähigkeit fünfmal höher ist als die von Kupfer. Diese Folien werden durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) aus einer Polymerfolie hergestellt. PGS ist sehr biegsam und lässt sich leicht schneiden. Dadurch kann man die Folie in komplexe dreidimensionale Formen falten und anschließend auf die Wärmequelle kleben, um die Abwärme großflächiger zu verteilen oder durch gute thermische Kopplung an den Kühlkörper weiterzuleiten.

Die besonders hohe Wärmeleitfähigkeit von PGS beruht darauf, dass die Kristalle in der Graphitfolie nicht räumlich durcheinander liegen, sondern eine hohe räumliche Ordnung aufweisen. Die einzelnen Graphitkristalle in der Folie (Bild 2) liegen wie ein geordnetes 2D-Puzzle nebeneinander, was das Wärmeleitvermögen entlang der einzelnen Graphitschichten erheblich verbessert.

Bild 3: PGS leitet Wärme bis zu fünfmal besser als Kupfer oder Aluminium.

Bild 3: PGS leitet Wärme bis zu fünfmal besser als Kupfer oder Aluminium. Panasonic

Ein weiterer Vorteil der Graphit-Struktur ist, dass die Schichten des Graphitkristallgitters einen wesentlich größeren Abstand voneinander haben als die einzelnen Kohlenstoffatome mit festen kovalenten Bindungen innerhalb der Gitterschicht. Die einzelnen Graphit-Schichten werden nur durch relativ schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammen gehalten und sind daher relativ leicht gegeneinander verschiebbar. Deshalb ist Graphit ein sehr weiches und formbares Material mit stark anisotropischen (richtungsabhängigen) Eigenschaften.

Pyrolytische Graphitfolien sind somit eine effektive, anwendungsfreundliche und platzsparende Wärmemanagement-Lösung. PGS ist sehr dünn und besitzt je nach Foliendicke eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit von 700 bis 1950 W/m·K, zwei- bis fünfmal höher als Aluminium oder Kupfer (Bild 3).

Bild 4: PGS-Folien können Wärme von der Quelle zum entfernten Kühlkörper ableiten oder einfach großflächig verteilen und verbessern als TIM (Thermal Interface Material) die thermische Kopplung zwischen Elektronikbauteil und Kühlkörper.

Bild 4: PGS-Folien können Wärme von der Quelle zum entfernten Kühlkörper ableiten oder einfach großflächig verteilen und verbessern als TIM (Thermal Interface Material) die thermische Kopplung zwischen Elektronikbauteil und Kühlkörper. Panasonic

Mit einem Biegeradius von 2 mm lassen sich PGS-Folien mehr als 3000-mal um 180 Grad durchbiegen. Die thermische Leitfähigkeit bleibt davon unberührt – solange scharfe Knicke vermieden werden. PGS ist zudem ein sehr stabiles Material, widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse; es zeigt keine altersbedingten Verschleißerscheinungen auf. Die PGS-Folie wird zur Ableitung von Wärme von einer Wärmequelle beziehungsweise zur Wärmeverteilung oder -streuung von einem Quellpunkt (A > B) eingesetzt (Bild 4).

Silikat-Partikel als thermische Barriere

Gelegentlich muss eine Wärmeausbreitung von heißen Komponenten zu eng benachbarten Bauteilen verhindert werden. Dies ist beispielsweise bei extrem dünnen Anwendungen von weniger als 1 mm Höhe oft der Fall. Der Smartphone- und Tablet-Markt als auch die Weiterentwicklung von wieder aufladbaren, hochleistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterien sind dabei wichtige Anwendungsbeispiele. Hier ist eine platzsparende und effektive Isolation als thermische Barriere ein sehr wichtiges Entwicklungsziel. Panasonic hat dafür ein sehr stark isolierendes Vlies auf Silikat-Basis entwickelt, welches bei asiatischen Smartphone-Herstellern bereits im Einsatz ist.

Bild 5: Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,014 bis 0,021 W/m・K bildet das dünne NASBIS-Vlies eine effiziente thermische Barriere.

Bild 5: Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,014 bis 0,021 W/m・K bildet das dünne NASBIS-Vlies eine effiziente thermische Barriere. Panasonic

Nano Silica Balloon Insulation Sheet (NASBIS) ist ein Vlies aus einem nicht-gewebten Trägerstoff (Bild 5), der mit kleinsten Silikat-Kügelchen (Aerogel) imprägniert ist (Bild 6). Diese Kügelchen bestehen aus Primärpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 1 nm, die sich zu etwa 10 nm großen, kugelartigen Sekundär-Strukturen zusammenlagern. Diese kugelartigen Strukturen schließen sich zu kettenförmig vernetzten Gebilden  zusammen, lassen aber viele Hohlräume mit etwa 10 bis 60 nm Durchmesser entstehen.

Diese Nano-Struktur verhindert dabei den Wärmetransport durch Luftmoleküle, indem sie die Fortbewegung der Luftmoleküle sowie einen Wärmetransport durch Molekülzusammenstöße stark behindert. NASBIS hat somit deutlich bessere thermische Isolationseigenschaften als Luft oder ein Luftspalt und andere derzeit gängige Dämmmaterialien. Das Isolations-Vlies ist derzeit eines der dünnsten Dämmlösungen auf dem Markt; die thermische Leitfähigkeit beträgt 0,014 bis etwa 0,021 W/m·K. Ein weiterer Vorteil von NASBIS ist, dass es im Gegensatz zu einem Luftspalt die Bildung einer Wärmebrücke durch eine Kontaktierung der zu isolierenden Komponenten auch bei einer mechanischen Verbiegung oder Verformung verhindert.

Bild 6: Das Thermo-Vlies NASBIS besteht aus einem faserartigen Träger, der mit kleinsten Silikat-Kügelchen (Aerogel) imprägniert ist.

Bild 6: Das Thermo-Vlies NASBIS besteht aus einem faserartigen Träger, der mit kleinsten Silikat-Kügelchen (Aerogel) imprägniert ist. Panasonic

Ein weiteres Einsatzgebiet für dieses Thermo-Vlies sind Lithium-Ionen-Akkus, wie sie in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Insbesonders Mildhybrid-Antriebssysteme auf 48-Volt-Basis sind eine vielversprechende Anwendung, denn ihre Batterien stellen besondere Ansprüche an das Thermomanagement. Bei Temperaturen höher als 50 °C wird die Batterie zunehmend durch chemische Reaktionen im Zellinneren geschädigt. Bei Temperaturen unter -10 °C nimmt die Leistung ab, und dadurch sinken Ladekapazität und Reichweite. Deshalb muss die Batterie im Sommer gekühlt, im Winter aber beheizt werden. Für dieses Einsatzgebiet ist das Thermo-Vlies sehr gut geeignet, weil sie sich einfach, schnell und platzsparend an allen Seiten des Batteriegehäuses anbringen lässt.