webLoaded = "false" Loadclientside=No
Elektronische Platine

Aus der Praxis

Verbessern der Wärmeleitfähigkeit Ihrer Materialien

KONTAKT
webLoaded = "false"

3M™ Bornitrid Cooling Fillers optimieren die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffmaterialien

  • 3M™ Bornitrid Cooling Fillers bilden eine umfangreiches Produktportfolio, das zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Polymeren bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung eingesetzt werden kann. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sind diese Zusatzstoffe für eine Vielzahl von elektrischen und elektronischen Anwendungen geeignet. Mithilfe der 3M™ Bornitrid Cooling Fillers können Sie das Wärmemanagement ihres Systems gezielt einstellen, unter Berücksichtigung der übrigen geforderten Anwendungsparameter (elektrische Isolierung, Flammschutz, mechanische Eigenschaften und Kosten).

    Unser erfahrenes Team von weltweit agierenden Materialwissenschaftlern, Produktspezialisten und Anwendungstechnikern entwickelt mit Ihnen gemeinsam die passenden Compound-Formulierungen und Prozesse.

    Wir unterstützen Sie gerne bei der erfolgreichen Umsetzung neuer Produktideen oder bei der Optimierung bestehender Lösungen mithilfe von 3M™ Bornitrid Cooling Fillers. Nutzen Sie unsere Expertise zu Ihrem Vorteil und entdecken Sie das ganze Potenzial der 3M™ Bornitrid Cooling Filler!

webLoaded = "false"

Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen thermischen Füllstoffen im Vergleich

  • Vergleichsdiagramm zur Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen thermischen Füllstoffen
  • Es gibt viele gute Gründe, warum Kunststoffe die bevorzugten Materialien moderner Designer sind. Sie sind relativ kostengünstig, eignen sich für hohe Produktionsmengen und bieten einen außerordentlichen Gestaltungsspielraum.

    Im Bereich der Elektronik stoßen viele Kunststoffe jedoch an ihre Grenzen. Das liegt daran, dass elektronische Bauteile besondere Materialien erfordern, die eine effektive Wärmemanagement auf kleinem Raum ermöglichen. Herkömmliche Kunststoffe sind nicht wärmeleitend. Aber durch das Hinzufügen von Bornitrid als Füllstoff kann dieses Defizit leicht behoben werden.

    Im Allgemeinen wird die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Füllstoffs durch seine chemische Zusammensetzung und Morphologie bestimmt.

    Das beste Beispiel ist Kohlenstoff:
     

    • Hexagonale Modifikation -> bis zu 165 W/m•K
    • Kubische Modifikation -> bis zu 2.300 W/m•K
    • Graphen -> bis zu 6.000 W/m•K
webLoaded = "false"
  • Wärmeleitpfad von Füllstoffen mit niedrigem Aspektverhältnis
  • Füllstoffe mit niedrigem Aspektverhältnis

    Die meisten thermischen Füllstoffe sind isotrop und/oder beinahe kugelförmig. Der Wärmeleitpfad dieser Füllstoffe (z.B. Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat) wird durch die folgenden Eigenschaften beeinträchtigt:
     

    • Fehlender Kontakt zwischen den Partikeln
    • Polymer zwischen den Partikeln verhält sich wie ein thermischer Widerstand
webLoaded = "false"
  • Wärmeleitpfad von Füllstoffen mit hohem Aspektverhältnis
  • Füllstoffe mit hohem Aspektverhältnis

    Der Wärmeleitpfad von anisotropen Füllstoffen wie Graphit und hexagonalem Bornitrid verläuft effizienter:
     

    • Mehr Kontaktpunkte bei gleichem Füllstoffanteil
    • Durch eine Brückenbildung wird bereits mit geringerem Füllstoffanteil eine bessere Verbindung und damit eine höhere Wärmeleitfähigkeit erreicht.
webLoaded = "false"
  • Das Diagramm stellt die Wärmeleitfähigkeit auf gleicher Ebene von PA 6-Verbindungen mit Bornitrid und anderen Füllstoffen dar.
    • Messung mittels Laser Flash: ASTM E 1461/DIN EN 821
    • Martoxid ist eine eingetragene Marke von Huber Martinswerk. Silatherm ist eine eingetragene Marke der Quarzwerke GmbH
  • Bornitrid verbessert die Wärmeleitfähigkeit

    Verglichen wird hier die Wärmeleitfähigkeit in x-y-Richtung (in-plane) eines PA6-Compound mit Bornitrid bzw. zwei anderen Füllstoffen.

    Während herkömmliche thermische Füllstoffe nur eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 4 W/m•K aufweisen, können 3M™ Bornitrid Cooling Fillers eine Wärmeleitfähigkeit über 10 W/m•K in x-y-Richtung (in-plane) sowie bis zu 4 W/m•K in z-Richtung (through-plane) erreichen.

webLoaded = "false"
  • Diagramm stellt die verschiedenen Dichten thermischer Füllstoffe, einschließlich 3M Bornitrid Cooling Fillers, dar.

    Für eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/m•K in-plane
     

    • werden 70 Gew.-% Aluminiumsilikat benötigt
    • sind 70 Gew.-% Aluminiumoxid erforderlich
    • reichen 30 Gew.-% Bornitrid Cooling Filler aus
  • Dichte von thermisch leitfähigen Füllstoffen

    Besonders hervorzuheben ist, dass 3M™ Bornitrid Cooling Fillers eine wesentlich geringere Dichte aufweisen als andere Füllstoffe.
     

    • Im Vergleich zu mineralischen oder oxidbasierten Füllstoffen sind wesentlich weniger Gewichts-Prozentanteile Bornitrid erforderlich, um eine identische Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.
    • Ein geringerer Füllstoffanteil reduziert eine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Compounds
    • Weniger Füllstoff bedeutet ein geringeres Gewicht
    • Vergleiche mit anderen thermischen Füllstoffen sollten immer auf der Basis von Volumenprozent erfolgen

webLoaded = "false"

3M™ Bornitrid Cooling Filler Flakes steigert die Wärmeleitfähigkeit bestehender Verbundwerkstoffe

Gängige Kunststoff-Compounds enthalten heutzutage oft zahlreiche Zusatzstoffe, die z. B. entsprechende mechanische Eigenschaften, Flammschutz oder die Compoundkosten einstellen. Die Wärmeleitfähigkeit dieser bestehenden Compounds kann durch den Zusatz von 3M™ Bornitrid Cooling Filler Flakes deutlich erhöht werden.

  • Mikroskopische Aufnahme von Aluminiumhydroxid

    Aluminiumhydroxid

  • Mikroskopische Aufnahme von Aluminiumtalkum

    Talk

  • Mikroskopische Aufnahme von Aluminiumsilikat

    Aluminiumsilikat

  • Mikroskopische Aufnahme von Wollastonit

    Wollastonit

webLoaded = "false"
  • Abbildung der verschiedenen Formen und Größen von Füllstoffen

    Die Größe, Form und spezifische Wärmeleitfähigkeit von Sekundärfüllstoffen wirken sich erheblich auf die Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen aus.

  • Abbildung der Auswirkung verschiedener Geometrien auf den Wärmeleitungspfad

    Durch die Kombination von Füllstoffen mit unterschiedlichen Geometrien entsteht im Polymer ein komplexes Netzwerk. Dieser ermöglicht eine bessere Perkolation, einen verbesserten Wärmeleitpfad in der z-Richtung und weniger Kontaktpunkte zwischen Füllstoff und Polymer.

webLoaded = "false"
  • Diagramm zur Veranschaulichung der höheren Wärmeleitfähigkeit mit Bornitrid

    Wärmeleitfähigkeit in W/m•K für mit Bornitrid Flakes gefülltes Epoxid

    Dieses erste Beispiel zeigt, wie die Wärmeleitfähigkeit eines Epoxid-Vergussharzes, das Aluminiumsilikat enthält, durch Zugabe des 3M™ Bornitrid Cooling Filler CFF 500-3 erhöht werden kann.

    In Vergussharzen ist das anisotrope Bornitrid im Allgemeinen nicht ausgerichtet, sondern gleichmäßig in der Polymermatrix verteilt. Daher ist die Wärmeleitung in alle Richtungen vergleichbar.

  • Diagramm, das die höhere Wärmeleitfähigkeit auf gleicher Ebene der spritzgegossenem PA 6-Verbindung mit Bornitrid darstellt

    Wärmeleitfähigkeit in W/m•K für mit Bornitrid Flakes gefülltes PA6-Compound in x-y-Richtung (in-plane)

    Das zweite Beispiel zeigt, wie die Wärmeleitfähigkeit einer spritzgegossenen PA 6-Compound durch Zugabe von Bornitrid Flakes gesteigert werden kann.

    Wie die meisten Thermoplast-Materialien wird PA 6 Compound mittels Spritzguss verarbeitet. Dies führt zu einer Ausrichtung des anisotropen Bornitrids in der Polymermatrix. Daher ist die horizontale Verteilung der Wärme in x-y-Richtung (in-plane) und in z-Richtung (through-plane) unterschiedlich. Die Zugabe des Füllstoffes wirkt sich dabei stärker auf die horizontale Verteilung der Wärme in x-y-Richtung (in-plane) aus.


webLoaded = "false"

Einfluss der Spritzgussparameter auf die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes / des Compounds

  • Parallele Ausrichtung der Bornitrid Flakes beim Spritzgießen

    Bornitrid Flakes richten sich im Allgemeinen aufgrund der Reibung an der Werkzeugwand parallel zur Spritzrichtung aus.

  • Einflüsse auf die Ausrichtung beim Spritzgießen

    Die Ausrichtung im mittleren Bereich des Spritzgussteils kann jedoch durch die Spritzgussparameter beeinflusst werden.

webLoaded = "false"
  • Variablen, die die Wärmeleitfähigkeit auf gleicher Ebene beeinflussen

    Messung mittels Laser Flash: ASTM E 1461/DIN EN 821

  • Die through-plane Wärmeleitfähigkeit kann weiter erhöht werden durch:
     

    • Niedrigere Schmelztemperatur
    • Reduzieren der Spritzgeschwindigkeit
    • Senken der Werkzeugtemperatur

webLoaded = "false"

Einfluss der Extruderparameter auf die Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes / des Compounds

  • Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit während der Doppelschneckenextrusion

    Messung mittels Laser Flash: ASTM E 1461/DIN EN 821

  • Die Wärmeleitfähigkeit kann während der Mischung in einem Doppelschneckenextruder beeinflusst werden.

    Eine Verringerung der Schergeschwindigkeit und langsameres Vermengen verhindern ein Aufspalten des Agglomerats und erhöhen die Wärmeleitfähigkeit.


webLoaded = "false"

Verschiedene Bornitrid-Füllstoffe und ihre Wärmeleitfähigkeit im Vergleich

  • Modell eines Autos von einem BMBF-Projekt
  • Das folgende Anwendungsbeispiel beschreibt ein von der Bundesregierung gefördertes BMBF-Projekt, das zur Entwicklung innovative Materialien zur Prozess- und Systemvereinfachung in Lithium-Ionen-Batterien gestartet wurde.

    Für die Studie gelten folgende Rahmenbedingungen:
     

    • Polymermatrix: PA 6
    • Elektroisolierung: elektrischer Widerstand (IEC 60093) 1,00E+14 Ohm•m
    • Wärmeleitfähigkeit (DIN 52612-1) der dünnen Spritzgussteile: x/y/z = 4/4/>2 W/m•K
    • Gefüllte PA6-Compounds mit:
      - Bruchspannung (ISO 527-1/-2): 100 Mpa
      - Reißdehnung (ISO 527-1/-2): 2–2,3 %
      - Charpy (DIN EN ISO 179−1): 40 KJ/m²
    • Wirtschaftlichkeit des Compounds
webLoaded = "false"
  • Diagramm mit einem Vergleich der Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid Platelets und Flakes
  • In der Studie wurde die Wärmeleitfähigkeit von 3M™ Bornitrid Platelets und Flakes verglichen. Wie dieses Diagramm zeigt, erhöhten die Bornitrid Flakes die Wärmeleitfähigkeit auf gleicher Ebene um den Faktor 2,5.

    Wie kommt dieser Unterschied zustande? Zunächst muss man wissen, dass die Wärme durch die einzelnen Bornitrid-Teilchen abgeleitet wird. Jeder Kontaktpunkt bildet dabei einen thermischen Widerstand. Mit zunehmender Partikelgröße wird die Anzahl der Kontaktpunkte reduziert.

    Wie die Abbildung unten zeigt, hat eine 500-μm-Flake sehr viel weniger Unterbrechungsstellen als 3-μm-Platelets bei identischen Füllstoffanteilen. Auf diese Weise wird die Wärme auf direkterem Weg abgeleitet (dargestellt durch die roten Linien). Durch den Einsatz größerer Partikel entsteht so eine höhere Wärmeleitfähigkeit.

webLoaded = "false"
  • Abbildung von Platelets in einer Gegenüberstellung von Platelets und Flakes

    Kleine Partikelgröße (Platelets)

  • Abbildung von Flakes in einer Gegenüberstellung von Platelets und Flakes

    Größere Partikelgröße (Flakes)


webLoaded = "false"

Signifikante Ersparnis der Prozesskosten durch den Einsatz von 3M™ Bornitrid Cooling Fillers

  • Beispiel, wie TIMs, Wärmesenken und Reflektoren zusammenarbeiten
  • Neuere Projekte in der Elektro- und Elektronikindustrie belegen, dass Kunststoffe mit wärmeleitenden Bornitrid-Füllstoffen Kosten reduzieren können und gleichzeitig die Produkteigenschaften verbessern sowie eine flexiblere Designgestaltung ermöglichen.

    Das folgende Beispiel zeigt anhand einer neuartigen LED-Taschenlampe, wie ein einziges wärmeleitendes Polymerteil das Thermal Interface Material (TIM), den Kühlkörper und den Reflektor ersetzt und dabei die Gesamtkonstruktion deutlich vereinfacht.

webLoaded = "false"

Projektpartner

  • Logo Lehmann & Voss & Co.

    Entwickler und Hersteller von maßgeschneiderten Verbundwerkstoffen

  • Logo RFPLAST

    Bietet thermische Modellierung, Werkzeugdesign und Spritzguss-Service

  • Logo Häusermann

    Hersteller von Leiterplatten

  • Logo OSRAM

    LED-Anbieter

webLoaded = "false"

Da der mit Bornitrid angereicherte Verbundwerkstoff elektrisch isolierend ist, kann er im Spritzgussverfahren direkt um die Leiterplatte herum aufgebracht werden. Dort fungiert er als Kühlkörper und Reflektor.

Durch die Reduzierung der Komponentenanzahl und der Herstellung in nur einem Arbeitsgang wurden die gesamten Prozesskosten – verglichen mit vorangegangenen Lösungen mit Metallgehäuse – um 30 % gesenkt.

Gleichzeitig verlängert ein hervorragendes Wärmemanagement die Lebensdauer der LED.

  • Bild eines herkömmlichen ungefüllten Polymers verglichen mit einem herkömmlichen ungefüllten und einem wärmeleitfähigen Polymer

    Herkömmliches, ungefülltes Polymer

  • Bild eines wärmeleitfähigen Polymers verglichen mit einem herkömmlichen ungefüllten und einem wärmeleitfähigen Polymer

    Wärmeleitfähiges Polymer


Service

Unsere Produkte bieten unterschiedlichste Einsatzmöglichkeiten. Sprechen Sie mit uns. Gemeinsam finden wir die passende keramische Lösung, um Ihre Herausforderungen zu meistern.


webLoaded = "false"

Empfohlenes Produkt

Andere 3M Seiten:
3M Marktplatz
Folgen Sie Uns
Land / Sprache wechseln
Deutschland - Deutsch