Das Wärmemanagement der Leistungselektronik am Beispiel von Flächen(isolier)werkstoffen

Die fortschreitende Elektrifizierung von Industrie, Verkehr und unserem Privatleben treibt die Nachfrage nach Leistungselektronik in nie dagewesene Höhen. Gleichzeitig zwingt uns der Wunsch nach immer kompakteren Geräten und Systemen dabei, immer höhere Leistungsdichten zu erreichen. Diese Entwicklung stellt Ingenieure jedoch vor eine fundamentale Herausforderung: die Beherrschung der unvermeidbaren Abwärme, die beispielsweise durch ohmsche Verluste entsteht.

Die thermische Belastung ist direkt an die Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten gekoppelt. Während moderne Halbleiter (SiC, GaN) hohe Sperrschichttemperaturen tolerieren, altern periphere, aber ebenso kritische Bauteile wie Kondensatoren schneller. Eine alte technische Daumenregel besagt, dass eine Erhöhung der Betriebstemperatur um lediglich 10°C die Lebensdauer eines Bauteils halbieren kann. Ein effektives Wärmemanagement ist somit kein optionaler Zusatz, sondern eine zwingende Voraussetzung für die Langlebigkeit und die spezifizierte Performance.

Die Gesetze des Wärmetransports 

Der Wärmetransport vom Ort der Entstehung zur Wärmesenke folgt physikalischen Gesetzen, die denen des elektrischen Stroms ähneln. Der transportierte Wärmestrom (Q) hängt direkt vom Querschnitt (A) des Wärmeleitmaterials, dem spezifischen Wärmeleitwert (lambda) und der Temperaturdifferenz (Delta T) ab, während er umgekehrt proportional zur Dicke (d) des Materials ist.

Man stelle sich die einfache Frage: Wo kommt Wärme schneller durch – durch eine Zeltwand oder eine Burgmauer? Die Antwort liegt auf der Hand: Die dicke Burgmauer bietet trotz des dichteren Materials einen wesentlich größeren thermischen Widerstand. In der Leistungselektronik bedeutet dies: Die Dicke des eingesetzten Wärmeleitmaterials (d) muss so gering wie möglich gehalten werden. Eine Verdopplung der Wegstrecke durch das Material erfordert eine Verdopplung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit (lambda), um den gleichen Wärmestrom aufrechtzuerhalten. Die technische Devise lautet daher: So dünn wie möglich, um den thermischen Widerstand zu minimieren, aber dick genug, um die erforderlichen elektrischen Eigenschaften zu erfüllen.

Klassifizierung und kritische Aspekte von TIMs 

Der Schlüssel zur Effizienz liegt in der Auswahl und Anwendung von Thermal Interface Materials (TIMs). Eine erste Unterscheidung erfolgt in elektrisch leitende und elektrisch isolierende Produkte. Elektrisch leitende Materialien wie Aluminium, Kupfer oder Graphitfolien (extrem gute Wärmeleiter bis zu 500 W/mK bei geringerem Gewicht gegenüber Metallen) werden primär als Heat Spreader eingesetzt, um die Wärme schnell von einer Punktquelle auf eine größere Fläche zu verteilen. Insbesondere Graphitfolien (hergestellt durch Pyrolyse aus Polyimid-Folien oder durch extreme Verdichtung von Naturgraphit, beispielsweise bei Sigratherm®) haben eine hervoragende Wärmeleitfähigkeit in der Fläche und werden z.B. in Smartphones eingesetzt, umd die punktuell entstehende Wärme an CPU und Speicher auf eine größere Flche zu verteilen.

Im Gegensatz dazu sind die meisten TIMs, die in der Leistungselektronik zur Anwendung kommen, elektrisch isolierend, um eine galvanische Trennung zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil und dem geerdeten Kühlkörper zu gewährleisten. Diese Materialien leiten die Wärme meist optimal entlang der Z-Achse, also durch ihre Dicke hindurch.

Die Bandbreite dieser isolierenden TIMs ist groß: 

• Wärmeleitpasten (Thermal Grease) und flüssige Gap-Filler (Cure in Place) werden für feinste Oberflächenrauigkeiten und geringste Schichtdicken bzw. zum optimalen und „automatischen“ Ausgleich von Fertigungstoleranzen eingesetzt. Wärmeleitpasten wirken bereits in minimalen Mengen effektiv, den Wärmeübergangswiderstand zu reduzieren. Cure-in-Place Gapfiller erhalten ihre finale Form erst nach dem Fügen der beiden zu verbindenden Oberflächen und sind dadurch sehr flexibel verwendbar.
• Wärmeleitende Folien und Matten (oft auf Silikon- oder Acrylatbasis) bieten zusätzliche mechanische Stabilität und Isolation. Sie decken den unteren Dickenbereich von wenigen Dutzend Mikrometern bis wenigen Millimetern ab und sind dabei hoch spannungsfest. Sie bieten meist eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von 1...5 W/mK.
• Dickere Gap-Filler-Pads dienen dazu, größere Spalte und extreme Höhenunterschiede bis zu 15 mm zuverlässig zu überbrücken, wie sie in komplexen Baugruppen der E-Mobilität oder in Serverfarmen häufig vorkommen. Sie sind durch die Fertigung (abgeschlossene Vernetzung, immer gleiche Eigenschaften) im Herstellerwerk gut für Stanz- und Formteile geeignet. Sie bieten meist eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von 5....15 W/mK und sind dementsprechend teuer.

Ein oft unterschätzter Aspekt ist der Wärmeübergangswiderstand an den Materialgrenzen, der bei unzureichendem Formschluss den gesamten Wärmepfad dominiert. Hier setzen auch Phasenwechselmaterialien (PCMs) an, die bei Erreichen der Betriebstemperatur ihren Zustand ändern (fest -> pastös) und so eine nahezu perfekte Benetzung der Oberflächen garantieren.

Der internationale Markt der TIM-Anbieter 

Aufgrund ihrer kritischen Bedeutung sind TIMs und ganzheitliche thermische Lösungen (Kühlkörper, Heat-Pipes, Kühlplatten, Ventilatoren, Wasserkühlung usw.) ein wichtiger globaler Markt, der von spezialisierten Materialherstellern dominiert wird.

Zu den führenden internationalen Anbietern zählen:

• 3M Company (USA): Bietet ein breites Portfolio an TIMs, darunter wärmeleitende Klebebänder, Pads und Pasten.
• Dow Inc. (USA): Globaler Anbieter mit Fokus auf silikonbasierten Materialien und Gap-Fillern für Automobil- und Industrieanwendungen.
• Qnity (ehem. DuPont): Stellt wärmeleitende Polyimid-Folien unter dem Namen Kapton® MT her. Diese hochbelastbaren und sehr dünnen Folien sind in vielen Anwendungen zu finden, in denen es auf minimale Materialstärke ankommt.
• Wacker Chemie AG (Deutschland): Stellt silikonbasierte TIMs her, darunter Gap-Filler, Klebstoffe und Pasten.
• Henkel AG & Co. KGaA (Deutschland): Stark im Bereich der Flüssig-TIMs (Gap-Filler und Pasten) sowie in wärmeleitenden Klebstoffen (Bergquist)
• Laird Performance Materials (USA/Global): Spezialisiert auf ein umfangreiches Portfolio an thermischen und EMI-Abschirmlösungen, bekannt für hochwertige Gap-Pads und Phasenwechselmaterialien.
• Fujipoly America Corporation (Japan/USA): Ein bekannter Hersteller von silikonbasierten und silikonfreien Wärmeleit-Pads und Gap-Fillern.
• KERAFOL® (Deutschland): Spezialist für keramische Folien und elektrisch isolierende TIMs.
• Parker Chomerics (USA): Bietet eine breite Palette an thermischen Interface-Lösungen, von Pasten über Pads bis zu Phasenwechselmaterialien.

In Anbetracht der rasant steigenden Leistungsdichte in allen Segmenten – von der Solareinspeisung über das Elektrofahrzeug, sogenannten DC-Microgrids bis hin zu Rechenzentren und Kommunikationseinrichtungen – wird die Optimierung des Wärmemanagements und die stetige Entwicklung besserer TIMs in den kommenden Jahren ein entscheidender Wettbewerbsfaktor für die All Electrical Society (ZVEI) bleiben.

Prof. Dr.-Ing. Andreas Griesinger: Leiter Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart (ZFW) und Professor an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW), Stuttgart, Fakultät Technik https://de.linkedin.com/in/andreas-griesinger-40968b1b5

ZVEI, Strategien zum Wärmemanagement von elektrischen und elektronischen Geräten: https://www.zvei.org/themen/strategien-zum-waermemanagement-von-elektrischen-und-elektronischen-geraeten

Mitarbeitende: Elantas (Vergußmassen), Sekels (Metalle), Ephy-Mess (Temperatursensoren), Wickeder Westphalenstahl (Hybridmetalle für Kühlkörper), CMC Klebetechnik (Wärmeleitende Flächenisolierwerkstoffe), Isotek (Flächenisolierwerkstoffe), Axalta (Tränkharze), Krempel (Flächenisolierwerkstoffe), VonRoll (wämeleitende Produkte), TMC (Temperatursensoren), WEVO (Vergußmittel, Gap-Filler, Kleber); Sika (überwiegend thermische Dämmung)

Ergänzung: In Anwendungen, in denen thermische Leitfähigkeit eher nicht gewollt ist, dennoch eine gute elektrische Isolation und eine hohe erlaubte Betriebstemperatur bei gleichzeitig geringer Entflammbarkeit gefordert wird, setzt man gerne Nomex®ein. Auch andere Aramidpapiere (z.B. Metastar) funktionieren gut als thermische Isoltion. Die mit einem hohen Luftanteil behfteten Produke haben einen geringe thermische Leitfähigkeit, die noch deutlich unter der von Kunststoffen allgemein liegt. Verglichen mit TIM-Produkten und vor allem mit Metallen sind jedoch alle ungefüllten Kunststoffe schlechte Wärmeleiter und können zur thermischen Isolation eingesetzt werden.