Hocheffizientes Wärmemanagement für IGBT

Die pyrolytische Grafitfolie leitet Wärme effektiv ab. Schukat Electronic

Davon betroffen sind nicht nur Konsumgüter, sondern auch Industrie 4.0 und Smart Factory, die Kommunikationsinfrastruktur sowie moderne medizinische Geräte. Alle diese Applikationen erfordern immer komplexere Systeme auf kleinem Raum und eine Lösung, die Wärme bei minimalem Platzbedarf effektiv ableitet oder verteilt. Eine besonders dünne thermische Lösung präsentiert hier Panasonic mit seiner pyrolytischen Grafitfolie.

Neben der pyrolytischen Grafitfolie Pyrolytic Graphite Sheet, PGS gibt es für unebene und raue Oberflächen auch deren Weiterentwicklung, die Graphite TIM von Panasonic (Vertrieb: Schukat Electronic). Letztere ist so biegsam, dass sie sich schneiden und in komplexe dreidimensionale Formen biegen lässt. Dank sehr hoher Wärmeleitfähigkeit sorgt die PGS in kompakten Elektronikgeräten für eine effiziente Wärmeverteilung. Zudem sind die Folien unter anderem auf IGBT-Module abgestimmt

Geringer Wärmewiderstand

Die 10 bis 100 µm dicke synthetische Folie wird aus einem Polymer mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von 700 bis 1950 W/mK hergestellt. Damit übertrifft sie Kupfer um das Fünffache und Aluminium um das Siebenfache. Auch im Vergleich zu anderen Silikon- und Grafitprodukten weist die pyrolytische Grafitfolie einen deutlich geringeren Wärmewiderstand auf. Lediglich Silikonfett hat eine noch geringere Wärmeresistenz, trocknet jedoch mit der Zeit und verliert an Effektivität. Eine gleichmäßige Verwendung ist damit schwierig und sorgt bei der Anwendung für abweichende Ergebnisse.

So funktioniert die PGS

Die PGS-Grafitbögen besitzen die Sechskantstruktur eines Kristalls und bestehen aus einer zweidimensionalen Kohlenstoffmatrix, sie sind gleichmäßig in einer horizontalen 2D-Struktur angeordnet. Damit ist die Folie sehr flexibel und lässt sich je nach Größe der Elektronikgeräte für den jeweiligen Bedarf zuschneiden, in komplexe dreidimensionale Formen biegen und einfach auf die Hitzequelle kleben.

Mit einem Krümmungsradius von 2 mm lassen sich die Folienstücke um 180 Grad biegen, auch wiederholtes Biegen mit bis zu 3000 Biegezyklen ist möglich. Lediglich ein Knicken ist zu vermeiden, um die Wärmeleitfähigkeit der Folie nicht zu beeinflussen. Aufgrund der Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse zeigt das Material auch nach jahrelanger Anwendung keinen Verschleiß.

Unebene und raue Oberflächen

Mit der Graphite TIM ist eine komprimierbare Variante der herkömmlichen PGS-Folie mit 200 μm Dicke entstanden. Diese lässt sich noch besser an unebene und raue Oberflächen anpassen und ist besonders als thermisches Interface-Material für IGBT-Module vorgesehen. Im Vergleich zur regulären PGS besitzt die Graphite TIM eine größere Schicht mit Hohlräumen, die durch einen Sinterprozess entsteht, und ermöglicht dadurch eine deutlich höhere Kompression von bis zu 40 Prozent. Diese Kompressionseigenschaft hilft dabei, den Wärmewiderstand auf sehr begrenztem Raum zu reduzieren.

Damit eignet sich Graphite TIM zum Minimieren des Wärmewiderstands zwischen einem Kühlkörper und einem IGBT-Modul. Die Folie sorgt für hohe Zuverlässigkeit und thermische Stabilität sowie eine lange Lebensdauer des IGBT-Moduls. Durch die einfache Installation entfallen die bei thermischem Fett oder Phasenwechselmaterial anfallenden Arbeits- und Installationskosten

Anwendung in der Praxis

Zum Einsatz kommt die pyrolytische Grafitfolie in elektronischen Geräten, um Hitze von einer Wärmequelle rasch und effektiv abzuleiten oder Hotspots zu vermeiden, also die Wärme von einem zentralen Punkt auf eine größere Fläche zu verteilen. In der integrierten Schaltung einer LED-Applikation beispielsweise führt die PGS die Wärme zum umschließenden Gehäuse ab. Hier verteilt sie sich gleichmäßig auf einer größeren Oberfläche und wird schließlich von dieser abgegeben.

Als thermische Schnittstelle verringert die PGS den thermischen Widerstand und verteilt die Wärme. Schukat Electronic

Bei IGBTs oder MOSFETs dient die PGS als Wärmeschnittstelle und Leitfolie. Die Bausteine sind zum Abführen der entstandenen Wärme auf Kühlkörpern montiert. Ein solches an einem Kühlkörper angebrachtes IGBT-Modul hält relativ niedrige Betriebstemperaturen und eine optimale Leistung aufrecht. Bei der Montage ist jedoch auf eine möglichst ideale Wärmekopplung zu achten. Um den thermischen Widerstand zwischen der Grundplatte und dem Kühlkörper zu minimieren und eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, nutzen Ingenieure ein thermisches Interface-Material (TIM). Oftmals kommen spezielle Kleber und Pasten zum Einsatz. Die Graphite TIM hingegen überbrückt mögliche Luftspalten und damit verbundene Wärmewiderstände und sorgt so für eine besonders effektive Wärmeleitfähigkeit.

Grafitbogen oder Folienstück

Ein umfangreiches Sortiment an PGS- und Graphite-TIM-Standardfolien für IGBT-Module unterschiedlicher Hersteller ist über den Distributor Schukat Electronic ab Lager erhältlich. Die reguläre PGS gibt es mit und ohne wärmestabile Klebefläche als Grafitbogen und als Folienstück. Für noch größeren Isolationsbedarf eignet sich das PET-Tape, denn im Verbund mit hoch thermischem Elastomerharz absorbiert die PGS die Wärme und verbessert die Bindung an die Komponente auf der Elektronikplatine.

electronica 2018:
Schukat Electronic: Halle B5, Stand 464
Panasonic: Halle B5, Stand 564

(mou)