DE102004039565A1 - Mehrlagige Wärmeleitfolie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrlagige Wärmeleitfolie (1), bestehend aus einer ersten Lage (2), die durch eine elektrisch isolierende, wärmeleitende verfüllte, hoch elastische Elastomerschicht gebildet ist, die infolge ihre Gel-Charakteristik dauerhaft an die unebene Oberflächenstruktur einer elektronischen Schaltung anformbar ist, sowie mindestens einer zweiten Lage (3), die wesentlich dünner als die erste Lage (2) und mit dieser fest verbunden ist, wobei die zweite Lage (3) als auf die erste Lage (2) aufgebrachte PCM-Schicht ausgebildet ist, die sich beim Aufbringen eines Kühlkörpers oder Gehäuseelementes (14) durch Druck- und/oder Temperatureinfluß ausdünnt und/oder eine Änderung ihres Aggregatzustandes bewirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mehrlagige Wärmeleitfolie, die aus einer ersten Lage besteht, welche durch eine elektrisch isolierende, wärmeleitende verfüllte, hochelastische Elastomerschicht gebildet wird. Diese Schicht ist in der Lage, sich in Folge ihrer Gel-Charakteristik dauerhaft an eine unebene Oberflächenstruktur einer elektronischen Schaltung anzuformen. Darüber hinaus weist die Wärmeleitfolie mindestens eine zweite Lage auf, die wesentlich dünner als die erste Lage ist und mit dieser fest verbunden ist.
  • Eine bekannte mehrlagige Wärmeleitfolien werden in der Regel dazu verwendet, aus unebenen Strukturen, die thermisch empfindliche elektronische Bauelemente enthalten oder aus diesen bestehen, Hitze abzuleiten. Derartige Folien sind mit einer Dicke von 0,5–5 mm erhältlich, weisen einen thermischen Widerstand zwischen 0,25–1,75 K/W auf und gewährleisten eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich zwischen 0,8–5 W/mK. Der thermische Verwendungsbereich derartige Wärmeleitfolien, die auch als Gap-Filler-Folien bezeichnet werden, liegt im Bereich von –60–+200 °C. Derartige Gap-Filler-Materialien sind beispielsweise in der Produktübersicht der Firma Kerafol Keramische Folien GmbH, Eschenbach beschrieben und werden dort als Produkt „Soft-therm" bezeichnet.
  • Nachteilig an derartigen bekannten Wärmeleitfolien ist eine Trägerschicht, die in der Regel eine Dicke von etwa 0,1 cm aufweist. Diese Trägerschicht hat einen relativ hohen Wärmewiderstandswert, so daß die Wärmeeinleitung in ein darauf aufgebrachtes Gehäuseelement, einen Kühlkörper oder dergleichen begrenzt ist.
  • Der Erfindung/Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrlagige Wärmeleitfolie mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart weiter zu bilden, daß eine bessere Ableitung aus der hochelastischen Elastomerschicht mit Gel-Charakteristik sichergestellt ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Lage als auf die erste Lage aufgebrachte PCM-Schicht ausgebildet ist, die sich beim Aufbringen eines Kühlkörpers oder Gehäuseelementes durch Druck- und/oder Temperatureinfluß ausdünnt und/oder eine Änderung ihres Aggregatszustandes bewirkt.
  • Im Prinzip sind derartige PCM-Schichten für sich bekannt, neu und vorteilhaft zur Lösung der Aufgabe hat sich aber die Kombination der beiden beschriebenen Schichten erwiesen, wobei die den Wärmewiderstand erhöhende Trägerschicht weggelassen wird und die PCM-Schicht unmittelbar auf die Elastomerschicht aufgebracht wird. Tests haben ergeben, daß der Wärmewiderstandswert um einen Faktor 2–10 verbessert ist, wenn die zweite Schicht nicht als Trägerschicht, sondern als PCM-Schicht ausgebildet ist.
  • Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–20. So kann die erste Schicht beispielsweise Silikon enthalten oder aus einem silikonfreien elastomeren aliphatischen Polyurethan bestehen, wobei das Polyurethan frei von ungebundenen Isozyanat-Gruppen sein kann. Es ist auch möglich, die erste Schicht aus Polydimethylsiloxan bestehen zu lassen, wobei das Polyurethan oder das Polydimethylsiloxan mit pulverartigen Füllstoffen mit 50–95 % verfüllt ist. Die Verfüllung kann aus Aluminiumoxidteilchen, Siliziumoxidteilchen, Berilliumoxidteilchen, Magnesiumoxidteilchen, Aluminiumnitridteilchen, Bohrnitridteilchen, Siliziumnitridteilchen, Siliziumkarbidteilchen oder Metallteilchen bestehen.
  • Zur Stabilisierung kann die erste Lage mit einem Gehalt von 0,5–15 % eines Melaminharzes versetzt sein. Die Shore-Härte der ersten Lage beträgt 5–80, als vorteilhafter Dickenbereich haben sich 0,3–6 mm erwiesen.
  • Die zweite Lage soll aus einer wachsartigen Substanz bestehen oder zumindest eine solche enthalten. Es ist aber auch möglich, ein Kopolymer als zweite Lage vorzusehen. Die zweite Lage kann auch aus einem thermoplastischen Silikonpolymer bestehen oder ein solches enthalten. Im Temperaturbereich von 40°C–140°C ist ein fest/flüssiger-Phasenübergang der die zweite Lage bildenden PCM-Schicht vorgesehen. Das Material der zweiten Lage kann ebenfalls mit thermisch leitenden Materialien verfüllt sein. Das Material der ersten und/oder zweiten Lage kann mit einer z. B. aus Metallen oder Kunststoffen, Glasfasern, Carbon oder Graphit bestehenden Verstärkung versehen sein. Die Verstärkung der ersten oder zweiten Lage kann auch gewebeartig ausgebildet sein. Schließlich ist es vorteilhaft, die freien Oberflächen der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Klebeschicht zu versehen. Zur Lagerhaltung ist es ferner vorteilhaft, auf den freien Oberflächen der ersten und/oder zweiten Lage eine abziehbare Schutzschicht anzubringen.
  • Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
  • 1 eine mehrlagige Wärmeleitfolie nach dem Stand der Technik, wobei die zweite Lage als dünne Trägerschicht ausgebildet ist,
  • 2 eine mehrlagige Wärmeleitfolie nach der Erfindung,
  • 3 einen Schnitt durch eine mit elektronischen Bauelementen versehene Leiterplatte, auf der die erfindungsgemäße mehrlagige Wärmeleitfolie aufgebracht ist, die auf der der Leiterplatte gegenüberliegenden Seite an ein Gehäuseelement oder eine Kühlkörperoberfläche angrenzt.
  • Die in 1 dargestellte mehrlagige Wärmeleitfolie 1 nach dem Stand der Technik besteht im wesentlichen aus einer ersten Lage 2 und einer unmittelbar daran angrenzende, auf die erste Lage 2 aufgebrachte zweite Lage 3, wobei die zweite Lage wesentlich dünner als die erste Lage 1 ist. Zwischen den beiden Lagen 2 und 3 besteht eine feste Verbindung.
  • Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeleitfolie 1, schematisch dargestellt ist, besteht die erste Lage 2 aus einer elektrisch isolierenden wärmeleitenden, verfüllten, hochelastischen Elastomerschicht mit Gel-Charakteristik, die zweite Lage ist eine Trägerschicht, die in der Regel dazu dient, die erste Lage 2 zu stabilisieren.
  • Bei der erfindungsgemäßen Wärmeleitfolie 11, ist die erste Lage 12 entsprechend der ersten Lage 2 der in 1 dargestellten Wärmeleitfolie ausgebildet, allerdings ist die Trägerschicht 3 nicht mehr vorhanden, sondern an eine Oberfläche der ersten Lage 12 grenzt unmittelbar eine zweite Lage an, die sich beim Aufbringen eines Kühlkörpers oder Gehäuseelementes 14 (3) ausdünnt und/oder durch Druck- und/oder Temperatureinfluß eine Änderung ihres Aggregatszustandes bewirkt. Dadurch kommt es zu einem sehr intensiven Wärmekontakt zwischen der ersten Schicht und dem Gehäuseelement 14. In 3 ist schematisch noch eine Leiterplatte 15 dargestellt, auf der elektronische Bauelemente 16 angebracht sind, die von Eindellungen oder Eindrückungen 17 der ersten Lage 12 mehr oder weniger dicht umschlossen sind, so daß eine gute Wärmeableitung aus den Bauelementen 16 in die erste Lage 12 der Wärmeleitfolie 11 sichergestellt ist.
  • Es ist möglich, das Material der ersten Lage 12 oder der zweiten Lage 13 mit Verstärkungsteilchen 18 zu versehen oder eine gewebeartige Verstärkung einzubringen, die im einzelnen nicht dargestellt ist.
  • Die freien Oberflächen 19 und/oder 20 der ersten und/oder der zweiten Lage 12, 13 können mit einer abziehbaren Schutzschicht 21 versehen sein, die in Zeichnungsfigur nur bereichsweise angedeutet ist.
    • 1
    mehrlagige Wämeleitfolie
    2
    erste Lage
    3
    zweite Lage
    11
    Wärmeleitfolie
    12
    erste Lage
    13
    zweite Lage
    14
    Gehäuseelement
    15
    Leiterplatte
    16
    Bauelemente
    17
    Eindellungen
    18
    Verstärkung
    19
    Oberfläche
    20
    Oberfläche
    21
    Schutzschicht

Claims (20)

  1. Mehrlagige Wärmeleitfolie (1), bestehend aus einer ersten Lage (12), die durch eine elektrisch isolierende wärmeleitende, verfüllte, hochelastische Elastomerschicht gebildet ist, die in Folge ihrer Gel-Charakteristik dauerhaft an die unebene Oberflächenstruktur einer elektronischen Schaltung anformbar ist, sowie mindestens einer zweiten Lage (13), die wesentlich dünner als die erste Lage (12) und mit dieser fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (13) als auf die erste Lage (12) aufgebrachte PCM-Schicht ausgebildet ist, die sich beim Aufbringen eines Kühlkörpers (14) oder Gehäuseelementes durch Druck- und/oder Temperatureinfluß ausdünnt und/oder eine Änderung ihres Aggregatzustandes bewirkt.
  2. Wärmeleitfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (12) Silikon enthält.
  3. Wärmeleitfolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (12) aus einem silikonfreien elastomeren aliphatischen Polyurethan besteht.
  4. Wärmeleitfolie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan frei von ungebundenen Isozyanatgruppen ist.
  5. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (12) aus Polydimethylsiloxan besteht.
  6. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Polyurethan oder Polydimethylsiloxan mit pulverartigen Füllstoffen mit 50–95 % verfüllt ist.
  7. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfüllung aus Aluminiumoxid-, Siliziumoxid-, Berilliumoxid-, Magnesiumoxid-, Aluminiumnitrid-, Bohrnitrid-, Siliziumnitrid-, Metall- und/oder Siliziumkarbidteilchen besteht.
  8. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lage (12) mit einem Gehalt von 0,5–15 % eines Melaminharzes versetzt ist.
  9. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Shorehärte der ersten Lage 5–80 beträgt.
  10. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der ersten Lage (12) 0,3–6 mm beträgt.
  11. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (13) aus einer wachsartigen Substanz besteht oder eine solche enthält.
  12. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (13) aus einem Copolymer besteht oder ein solches enthält.
  13. Wärmeleitfolie nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lage (13) aus einem thermoplastischen Silikonpolymer besteht oder ein solches enthält.
  14. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die zweite Lage (13) bildende PCM-Schicht im Temperaturintervall von 40 °C–140 °C einen Fest-Flüssig-Phasenübergang zeigt.
  15. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zweiten Lage (13) mit thermisch leitenden Materialien verfüllt ist.
  16. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der ersten (12) und/oder zweiten Lage (13) mit einer Verstärkung (18) versehen ist.
  17. Wärmeleitfolie nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus metallischen Materialien oder Kunststoffen, Glasfasern, Karbon oder Graphit besteht.
  18. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (12) und/oder die zweite Lage (13) mit einer gewebeartigen Verstärkung versehen ist.
  19. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Oberflächen (19, 20) der ersten (12) und/oder zweiten Lage (13) mit einer Klebeschicht versehen sind.
  20. Wärmeleitfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Oberflächen (19, 20) der ersten (12) und/oder zweiten Lage (13) mit einer abziehbaren Schutzschicht (21) versehen sind.
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