DE102007039902A1 - Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component - Google Patents

Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component Download PDF

Info

Publication number
DE102007039902A1
DE102007039902A1 DE102007039902A DE102007039902A DE102007039902A1 DE 102007039902 A1 DE102007039902 A1 DE 102007039902A1 DE 102007039902 A DE102007039902 A DE 102007039902A DE 102007039902 A DE102007039902 A DE 102007039902A DE 102007039902 A1 DE102007039902 A1 DE 102007039902A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
phase change
heat
phase
change material
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102007039902A
Other languages
German (de)
Inventor
Stefan Fruhnert
Martin Dr. Helsper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE102007039902A priority Critical patent/DE102007039902A1/en
Publication of DE102007039902A1 publication Critical patent/DE102007039902A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/01—Use of inorganic substances as compounding ingredients characterized by their specific function
    • C08K3/013—Fillers, pigments or reinforcing additives

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

The heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises two material components in which a phase change material is formed as first material component and a heat conducting filler material is formed as second material component in particle form. The phase change material has a fluid or paste like first phase and is converted irreversible from first phase to solid elastic second phase. The filler material is mixed with the phase change material in the first phase and is uniformly distributed within the phase change material. The heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises two material components in which a phase change material is formed as a first material component and a heat conducting filler material is formed as second material component in particle form. The phase change material has a fluid or paste like first phase and is converted irreversible from first phase to a solid elastic second phase. The filler material is mixed with the phase change material in the first phase and is uniformly distributed within the phase change material, which is convertible by supplying energy, which is transmitted from the heat source to the heat sink, or by heating over a threshold temperature after bringing the heat conductive material between the heat source and the heat sink. The phase change material exists out of two phase change material components and is convertible by physical or chemical reaction after joining both phase change material components. The filler material has an average particle diameter of 100 mu m.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeleitmaterial mit mindestens zwei Materialbestandteilen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des Wärmeleitmaterials.The The invention relates to a Wärmeleitmaterial with at least two material components. Moreover, the invention relates a use of the Wärmeleitmaterials.

Unter einem Wärmeleitmaterial wird hier ein Material verstanden, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat. Insbesondere liegt die Wärmeleitzahl eines derartigen Wärmeleitmaterials bei mindestens 10 W/mK bei 20°C.Under a Wärmeleitmaterial Here is understood a material that has a high thermal conductivity Has. In particular, the thermal conductivity of a such Wärmeleitmaterials at least 10 W / mK at 20 ° C.

Bisher werden zur Ableitung von Wärme aus zu kühlenden Bauteilen überwiegend Wärmeleitpasten auf Basis eines öligen, flüssigen, wachsartigen oder alkoholischen Basismaterials verwendet. Dem Basismaterial wird ein wärmeleitfähiger Füllstoff aus z. B. Kupfer-, Silber-, Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumoxid (Al2O3)-Partikeln zugemischt. Die Wärmeleitpasten werden zum Auffüllen von Zwischenräumen zwischen einem zu kühlenden Bauteil und einem Kühlkörper verwendet, um so eine gute thermische Anbindung zwischen beiden zu schaffen. Während des Einsatzes neigen die teilweise flüssigen Basismaterialien nach einer thermomechanischen Beanspruchung und/oder nach einer gewissen Betriebszeit dazu, sich vom wärmeleitfähigen Füllstoff zu separieren und aus dem Zwischenraum weg- oder auszulaufen (= Vorgang des „Ausblutens"). Dadurch verschlechtert sich das Wärmeableitvermögen. Außerdem werden benachbarte, beispielsweise elektrische Bauteile durch das auslaufende Basismaterial kontaminiert, so dass Defekte, z. B. in Folge von Kurzschlüssen oder von unerwünschtem Isolierverhalten, auftreten können. Sämtliche Bauteile, die unter den genannten Bedingungen mit dem flüssigen Basismaterial in Kontakt kommen können, sind deshalb chemisch beständig gegenüber dem Basismaterial auszulegen.So far, heat transfer pastes based on an oily, liquid, waxy or alcoholic base material are mainly used for dissipating heat from components to be cooled. The base material is a thermally conductive filler of z. As copper, silver, zinc oxide (ZnO) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) particles mixed. The thermal grease is used to fill gaps between a component to be cooled and a heat sink to provide good thermal bonding between the two. During use, the partially liquid base materials, after thermo-mechanical stress and / or after a certain period of operation, tend to separate from the heat-conductive filler and run away from the gap (= "bleed-out" process.) This degrades the heat dissipation capability. In addition, adjacent, for example, electrical components are contaminated by the leaking base material, so that defects, for example as a result of short circuits or undesirable insulation behavior, can occur All components that can come into contact with the liquid base material under the conditions mentioned, are therefore chemically resistant to the base material interpreted.

Um Kurzschlussdefekte im Fall des Ausblutens zu vermeiden, werden zum Teil auch Wärmeleitpasten aus einem elektrisch isolierenden Basismaterial, wie z. B. aus Zinkoxid oder aus Parafinöl, verwendet. Das Problem des mit dem Ausbluten ebenfalls einhergehenden schlechteren Wärmeableitvermögens lässt sich damit aber nicht beheben. Außerdem kommen anstelle der Wärmeleitpasten auch feste Wärmeleitelemente, wie z. B. Bleche, Folien oder Matten (= Pads) aus wärmeleitfähigen Materialien, zum Einsatz. Diese müssen aber vorab an die geometrischen Gegebenheiten des jeweiligen Zwischenraums zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper angepasst werden – beispielsweise mittels eines entsprechenden Zuschnitts. Dies ist aufwändig. Außerdem können diese festen Elemente Unebenheiten an den Oberflächen des zu kühlenden Bauteils und des Kühlkörpers nur in geringem Umfang ausgleichen.Around To avoid short circuit defects in the event of bleeding, become Part also thermal compounds from an electrically insulating base material, such. B. from zinc oxide or from paraffin oil, used. The problem of bleeding also accompanying poorer heat dissipation can be but not fix it. Furthermore come in place of the thermal paste also solid heat-conducting elements, such as As sheets, films or mats (= pads) made of thermally conductive materials, for use. These must but first of all to the geometric conditions of the respective gap between the one to be cooled Component and the heat sink adapted be - for example by means of a corresponding blank. This is expensive. In addition, these solid elements can be uneven on the surfaces of the component to be cooled and the heat sink only compensate to a small extent.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Wärmeleitmaterial der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das einfach an die jeweilige Applikation angepasst werden kann und ein dauerhaft stabiles Wärmeleitvermögen aufweist.A The object of the invention is therefore a heat conducting material specify the type mentioned, the simple to the particular application can be adjusted and has a permanently stable thermal conductivity.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeleitmaterial handelt es sich um ein solches, bei dem der erste Materialbestandteil ein Phasenwechselmaterial ist, das ursprünglich einen flüssigen oder pastösen ersten Phasenzustand hat und irreversibel in einen festen elastischen zweiten Phasenzustand überführbar ist, der zweite Materialbestandteil durch einen wärmeleitfähigen Füllstoff in Partikelform gebildet ist, und der wärmeleitfähige Füllstoff dem Phasenwechselmaterial in dessen erstem Phasenzustand zugemischt wird und innerhalb des Phasenwechselmaterials gleichmäßig verteilt angeordnet ist.These Task is solved by the characteristics of the independent Patent claim 1. The heat conducting material according to the invention is such a one in which the first material component is a phase change material is that, originally a liquid or pasty has first phase state and irreversible in a solid elastic second phase state is convertible, the second material component is formed by a thermally conductive filler in particle form is, and the thermally conductive filler the phase change material mixed in its first phase state is uniformly distributed within the phase change material is arranged.

Das erfindungsgemäße Wärmeleitmaterial vereint die Vorteile der bisher verwendeten Wärmeleitpasten und festen Wärmeleitelemente. Im ersten flüssigen oder pastösen Phasenzustand des Phasenwechselmaterials verhält sich das erfindungsgemäße Wär meleitmaterial wie eine herkömmliche Wärmeleitpaste. Es lässt sich sehr gut in einen Zwischenraum zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper einbringen. Aufgrund seines in diesem ersten Phasenzustand noch gegebenen Fließverhaltens füllt das Phasenwechselmaterial, dem die wärmeleitfähigen Füllstoffpartikel zugesetzt sind, den Zwischenraum vollständig aus. Insbesondere auch ansonsten nur schwer zugängliche Hohlräume werden praktisch komplett verfüllt. Gegebenenfalls vorhandene Unebeneinheiten an den Oberflächen des zu kühlenden Bauteils und des Kühlkörpers werden ebenfalls automatisch mit erfasst und vollständig durch das erfindungsgemäße Wärmeleitmaterial ausgeglichen.The heat-conducting material according to the invention combined the advantages of the heat-conducting pastes and solid heat-conducting elements used so far. In the first liquid or pasty Phase state of the phase change material behaves the heat meleitmaterial invention like a conventional thermal grease. It leaves works very well in a space between the one to be cooled Insert the component and the heat sink. Because of his in this first phase state still given flow behavior fill that Phase change material containing the thermally conductive filler particles are added, the gap completely. In particular, otherwise difficult to access cavities are practically completely filled. If necessary, unevenness units on the surfaces of the cooling Component and the heat sink are also automatically detected and completely compensated by the heat conducting material according to the invention.

Im zweiten Phasenzustand des Phasenwechselmaterials, also dem festen, insbesondere elastischen oder elastisch-plastischen Phasenzustand, verhält sich das erfindungsgemäße Wärmeleitmaterial dagegen wie ein herkömmliches festes Wärmeleitelement. Insbesondere kann es auch nach einer thermomechanischen Beanspruchung und/oder nach einer gewissen Betriebszeit zu keiner Trennungs- oder Entmischungsreaktion zwischen dem Phasenwechselmaterial und den wärmeleitfähigen Füllstoffpartikeln und zu keinem Wegfließen oder Ausbluten des Basismaterials, also des Phasenwechselmaterials, kommen. Der vorzugsweise erst vor Ort, also nach dem Befüllen des Zwischenraums zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper mit dem Wärmeleitmaterial in seinem ersten Phasenzustand, eingeleitete Phasenübergang ist irreversibel, d. h. nicht umkehrbar. Der Phasenübergang ist nur einmal möglich – und zwar in Richtung vom flüssigen in den festen Zustand. Hat dieser Wechsel stattgefunden, ist der zweite Phasenzustand dauerhaft stabil. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeleitmaterial ist somit ein gleich bleibend gutes thermisches Verhalten über eine lange Betriebszeit hinweg gewährleistet.In contrast, in the second phase state of the phase change material, ie the solid, in particular elastic or elastic-plastic phase state, the heat conduction material according to the invention behaves like a conventional solid heat conduction element. In particular, even after a thermo-mechanical stress and / or after a certain operating time, no separation or separation reaction between the phase change material and the thermally conductive filler particles and no flow or bleeding of the base material, ie the phase change material, can occur. The preferably only on site, so after filling the gap between the component to be cooled and the heat sink with the heat conducting material in its first phase state, initiated phase transition is irreversible, ie not reversible. The phase over This is only possible once - in the direction from the liquid to the solid state. If this change has taken place, the second phase state is permanently stable. In the case of the heat-conducting material according to the invention, therefore, a consistently good thermal behavior over a long period of operation is ensured.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeleitmaterials ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the Wärmeleitmaterials invention emerge the features of the dependent of claim 1 claims.

Günstig ist eine Variante, bei der das Phasenwechselmaterial mittels einer Energiezufuhr vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist. Eine solche Energiezufuhr ist beispielsweise mittels einer Mikrowellen-, Licht-, Ultraschall- oder Wärmeeinstrahlung problemlos möglich. Bevorzugt ist das Phasenwechselmaterial mittels einer Erwärmung über eine Schwelltemperatur vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar. Eine solche Erwärmung über eine Schwelltemperatur, ab der der Phasenwechsel bei dem Phasenwechselmaterial abläuft, ist besonders einfach zu bewerkstelligen.Cheap is a variant in which the phase change material by means of an energy supply from the first to the second phase state is convertible. Such an energy supply is for example by means of a microwave, light, ultrasound or heat radiation easily possible. Preferably, the phase change material is by means of a heating over a Threshold temperature from the first to the second phase state convertible. A such warming over one Threshold temperature, from which the phase change in the phase change material is, is very easy to do.

Weiterhin kann das Phasenwechselmaterial vorzugsweise auch aus zwei oder mehr Phasenwechselmaterialkomponenten zusammenmischbar und mittels einer physikalischen oder chemischen Reaktion nach einem Zusammenbringen der mindestens zwei Phasenwechselmaterialkomponenten vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar sein. Auch die Aushärtung eines Mehrkomponentenmaterials durch Zusammenbringen der Materialkomponenten lässt sich einfach und ohne großen technischen Aufwand realisieren.Farther For example, the phase change material may preferably be two or more Phase change material components mixable together and by means of a physical or chemical reaction after contacting the at least two phase change material components from the first be convertible to the second phase state. Also the curing a multi-component material by bringing the material components together let yourself easy and without big ones implement technical effort.

Gemäß einer anderen günstigen Variante besteht das Phasenwechselmaterial aus einem viskosen, tixotropen oder vernetzenden Material. Derartige Materialien haben die vorteilhafte Eigenschaft, nach Einleitung eines Aushärtungsvorgangs, also des Phasenwechselvorgangs, aus einer flüssigen Ausgangsmaterialstruktur eine feste, elastische bis plastische Endmaterialstruktur zu bilden. Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial ein silikon-, polyacrylat-, epoxydharz- oder polyurethanhaltiges Material. Solche Materialien haben zum einen das gewünschte Phasenwechselverhalten und sind zum anderen am Markt frei verfügbar.According to one other cheap Variant is the phase change material of a viscous, tixotropic or crosslinking material. Such materials have the advantage Property, after initiation of a curing process, ie the phase change process, from a liquid starting material structure to form a solid, elastic to plastic end material structure. Preferably, the phase change material is a silicone, polyacrylate, epoxy resin or polyurethane containing material. Such materials on the one hand have the desired Phase change behavior and are on the other hand freely available on the market.

Vorzugsweise weist der Füllstoff außerdem einen mittleren Partikeldurchmesser von bis zu etwa 100 μm auf. Füllstoffpartikel bis zu dieser bevorzugten Durchmesserobergrenze lassen sich sehr gut und gleichmäßig innerhalb des Phasenwechselmaterials verteilen, sodass das Wärmeleitmaterial eine homogen verteilte Wärmeleitfähigkeit hat. Bei dem wärmeleitfähigen Füllstoff handelt es sich insbesondere um einen herkömmlichen Füllstoff, wie er auch bei den bisher bekannten Wärmeleitpasten und festen Wärmeleitelementen zum Einsatz kommt. Die Partikel des wärmeleitfähigen Füllstoffs bestehen vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumcarbid (AlC), Aluminiumsiliciumcarbid (AlSiC), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Graphit. Diese Materialien haben eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit. Ihre Wärmeleitzahlen bewegen sich typischerweise im Bereich zwischen einigen 10 und einigen 100 W/mK bei 20°C. Zugleich sind sie preiswert verfügbar.Preferably, the filler also has an average particle diameter of up to about 100 microns. Filler particles up to this preferred diameter upper limit can be distributed very well and uniformly within the phase change material so that the heat conduction material has a homogeneously distributed thermal conductivity. The thermally conductive filler is in particular a conventional filler, as it is also used in the heat-conducting pastes and solid heat-conducting elements known hitherto. The particles of the thermally conductive filler are preferably made of aluminum, copper, silver, aluminum nitride (AlN), aluminum carbide (AlC), aluminum silicon carbide (AlSiC), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or graphite. These materials have a particularly high thermal conductivity. Their thermal conductivities typically range between a few tens and a few 100 W / mK at 20 ° C. At the same time, they are available inexpensively.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung eines Wärmeleitmaterials der eingangs bezeichneten Art anzugeben, sodass eine einfache Anpassung an die jeweilige Applikation möglich und ein dauerhaft stabiles Wärmeleitvermögen gegeben ist.A Another object of the invention is a use of a Wärmeleitmaterials the specify type initially given, so that a simple adaptation to the respective application possible and given a permanently stable thermal conductivity is.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 8. Erfindungsgemäß ist eine Verwendung des vorstehend beschriebenen Wärmeleitmaterials so vorgesehen, dass das Wärmeleitmaterial, insbesondere in seinem ersten Phasenzustand, zur Bildung einer wärmeleitfähigen Zwischenschicht zwischen eine Wärmequelle und eine Wärmesenke eingebracht wird. Im ersten Phasenzustand ist das Phasenwechselmaterial noch flüssig, sodass es sich sehr gut an die Konturen in dem Zwischenraum zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke anpasst. Aufgrund des Fließverhaltens wird der Zwischenraum praktisch vollständig mit dem Wärmeleitmaterial befüllt. Dadurch bleiben nach dem Phasenwechsel keine unbefüllten Hohlräume zurück, die ansonsten das thermische (Übergangs-)Verhalten verschlechtern würden.These Task is solved by the features of claim 8. According to the invention is a Use of the above-described Wärmeleitmaterials provided so that the heat conduction material, especially in its first phase state, to form a thermally conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink is introduced. In the first phase state is the phase change material still fluid, so It works very well on the contours in the space between the heat source and the heat sink adapts. Due to the flow behavior the space is practically complete with the Wärmeleitmaterial filled. As a result, remain after the phase change no unfilled cavities, the otherwise the thermal (transition) behavior would worsen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung des Wärmeleitmaterials ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 8 abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the inventive use of the Wärmeleitmaterials arise from the features of the dependent claim 8 claims.

Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die irreversible Überführung von dem ersten in den zweiten Phasenzustand nach dem Einbringen des Wärmeleitmaterials zwischen die Wärmequelle und die Wärmesenke vorgenommen wird. Dadurch resultiert eine besonders gute und dauerhafte Befüllung des Zwischenraums mit dem Wärmeleitmaterial.Cheap is an embodiment in which the irreversible transfer from the first into the second phase state after the introduction of the Wärmeleitmaterials between the heat source and the heat sink is made. This results in a particularly good and lasting filling the space with the Wärmeleitmaterial.

Vorzugsweise ist es außerdem vorgesehen, dass eine für die irreversible Überführung von dem ersten in den zweiten Phasenzustand benötigte Energie einem von der Wärmequelle zu der Wärmesenke gerichteten Wärmefluss entzogen wird. Dies kann insbesondere während einer Funktionsprüfung, einer Inbetriebnahme oder des erstmaligen Betriebs einer fertig montierten Anlage, die die Wärmequelle und -senke sowie das dazwischen im flüssigen Phasenzustand eingebrachte Wärmeleitmaterial umfasst, erfolgen. Damit vollzieht sich der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Zustand im Wärmeleitmaterial insbesondere ohne, dass von außen gezielt eine Energie zugeführt werden müsste. Die hierfür benötigte Energie entstammt vorzugsweise der Verlustwärme, die bei dem Betrieb der Anlage ohnehin entsteht und die darüber hinaus abzuführen ist. Der Anlage wird durch den Phasenwechselvorgang im Wärmeleitmaterial also keine an anderer Stelle benötigte Energie entzogen. Diese Vorgehensweise ist somit besonders effizient.Preferably, it is also provided that an energy required for the irreversible transfer from the first to the second phase state is removed from a heat flow directed from the heat source to the heat sink. This may in particular during a functional test, commissioning or initial operation of a fully assembled system, the heat source and sink and the intermediate in the liquid phase Condition introduced introduced Wärmeleitmaterial carried out. This completes the phase change from the liquid to the solid state in the heat conducting material in particular without that from the outside targeted energy would be supplied. The energy required for this purpose preferably comes from the heat loss, which arises in any case during the operation of the system and which is also dissipate. As a result of the phase change process in the heat conduction material, the system is not deprived of energy needed elsewhere. This procedure is thus particularly efficient.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.Further Features, advantages and details of the invention will become apparent the following description of an embodiment.

Ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeleitmaterials hat als Phasenwechselmaterial ein einkomponentiges Polyurethan, dem als wärmeleitfähiger Füllstoff Aluminiumnitrid (AlN)-Partikel in einer Konzentration von beispielsweise etwa 70% zugesetzt sind. Die AlN-Partikel werden dem Phasenwechselmaterial noch in dessen flüssigem Phasenzustand zugemischt.One embodiment a Wärmeleitmaterials has as a phase change material a one-component polyurethane, as a thermally conductive filler Aluminum nitride (AlN) particles in a concentration of, for example about 70% are added. The AlN particles become the phase change material still in its liquid Phase condition mixed.

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wechseln das als Phasenwechselmaterial eingesetzte Polyurethan (PU) und damit auch das Wärmeleitmaterial insgesamt von einem flüssigen, pastösen ersten Phasenzustand in einen festen elastischen zweiten Phasenzustand, sobald das Wärmeleitmaterial erstmalig über eine Schwelltemperatur (z. B. 40°C) erwärmt wird. Bei Erreichen oder Überschreiten dieser Schwelltemperatur findet ein irreversibler Phasenwechsel in Form einer Aushärtung des Polyurethans statt. Die Schwelltemperatur, ab der dieser Phasenwechsel einsetzt, ist abhängig von den Zusammensetzungen der verwendeten Polyurethan-Basismaterialien. Ein mögliches Phasenwechselmaterial ist das PU-Material, das von der Firma CeraCon GmbH, Weikersheim, Deutschland unter der Produktbezeichnung „Pengui Foam 3151" vertrieben wird. Dieses PU-Material härtet ab einer Schwelltemperatur von etwa 80°C aus. Ein auf Basis eines solchen Polyurethans realisiertes Wärmeleitmaterial hat einen Temperatureinsatzbereich von etwa –50°C bis etwa 200°C.in the Change embodiment described here the polyurethane used as phase change material (PU) and thus also the heat conduction material in total of a liquid, pasty first Phase state into a fixed elastic second phase state, as soon as the heat conduction material for the first time over a threshold temperature (eg 40 ° C) heated becomes. When reaching or exceeding this threshold temperature finds an irreversible phase change in the form of a cure of the polyurethane. The threshold temperature, from which this phase change depends, is dependent from the compositions of the polyurethane base materials used. A possible Phase change material is the PU material produced by CeraCon GmbH, Weikersheim, Germany under the product name "Pengui Foam 3151 "distributed becomes. This PU material cures from a threshold temperature of about 80 ° C. One based on one Polyurethane realized Wärmeleitmaterial has a temperature range of about -50 ° C to about 200 ° C.

Durch die Einbettung der wärmeleitfähigen Füllstoffpartikel in eine Matrix mit dem Polyurethan-Phasenwechselmaterial, dessen mechanische Eigenschaften aufgrund des Phasenwechsels gezielt verändert werden können, ergibt sich ein Wärmeleitmaterial mit folgenden Vorteilen.By the embedding of the thermally conductive filler particles in a matrix with the polyurethane phase change material whose mechanical properties are changed specifically due to the phase change can, results in a Wärmeleitmaterial with the following advantages.

Das Wärmeleitmaterial ist sowohl besonders gut wärmeleitfähig als auch weist es im festen zweiten Phasenzustand teilweise elastisches Verhalten auf.The thermal interface material is both very good thermal conductivity than it also partially elastic in the fixed second phase state Behavior on.

Das eingesetzte Phasenwechselmaterial (= Polyurethan) ermöglicht eine Einbringung des Wärmeleitmaterials an seinen Einsatzort im flüssigen ersten Phasenzustand, wobei auch schwer zugängliche Stellen, Hohlräume sowie Unebenheiten an Oberflächen von zu kühlenden Bauteilen und Kühlkörpern aufgrund des Fließverhaltens des Wärmeleitmaterials vollständig befüllt bzw. benetzt werden. Überschüssiges, nicht zum Wärmetransport benötigtes Wärmeleitmaterial quillt insbesondere bei einem festen Verschrauben der zu kühlenden Bauteile mit den Kühlkörper seitlich heraus. Es kann noch während des Montagevorgangs entfernt werden. Der irreversible Übergang in den zwei ten festen Phasenzustand, also die Aushärtung des Wärmeleitmaterials, findet insbesondere erst nach dem Abschluss der Montage statt. Vorzugsweise wird die zur Aushärtung benötigte Wärme während eines (Test-)Betriebs oder einer Funktionsprüfung von einem zu kühlenden Bauteil, wie z. B. einem elektronischen Hochleistungsbaustein, geliefert. Aufgrund der hohen elektromechanischen Beanspruchungen während eines Testbetriebs oder einer Funktionsprüfung erwärmen sich die Bauteile stark. Es steht somit auch ohne gezielte Wärmezufuhr von außen überall genügend Wärmeenergie zur Verfügung, um das Wärmeleitmaterial über die Schwelltemperatur zu erwärmen und den Phasenwechsel einzuleiten. Nach dessen Abschluss liegt das Wärmeleitmaterial in seinem zweiten relativ elastischen Phasenzustand vor, in welchem es seine pastösen Eigenschaften vollständig verloren, aber seine durch die eingebetteten Füllstoffpartikel bedingte hohe Wärmeleitfähigkeit beibehalten hat.The used phase change material (= polyurethane) allows a Introduction of the Wärmeleitmaterials to its place of use in the liquid first phase condition, whereby also hard-to-reach places, cavities as well Bumps on surfaces from to be cooled Components and heat sinks due the flow behavior the Wärmeleitmaterials Completely filled or wetted. excess not for heat transport required heat conduction material swells especially in a tight screw the cooled Components with the heatsink side out. It may still be during the Assembly process to be removed. The irreversible transition in the two th fixed phase state, ie the hardening of the Wärmeleitmaterials, finds especially after completion of the assembly. Preferably is the heat required for curing during a (Test) operation or a functional test of a component to be cooled, such as As a high-performance electronic module delivered. Due to the high electromechanical stresses during a test operation or a functional test warm up the components strong. It is therefore also without targeted heat enough heat energy from outside everywhere to disposal, to the heat conduction over the Heat threshold temperature and to initiate the phase change. After its completion that is thermal interface material in its second relatively elastic phase state, in which it's its pasty Properties completely lost, but its high due to the embedded filler particles thermal conductivity has maintained.

Das Wärmeleitmaterial ermöglicht in seinem endgültigen zweiten Phasenzustand gegenüber den bisherigen Lösungen einen deutlich verbesserten und über eine lange Betriebsdauer hinweg gleich bleibend stabilen Wärmabtransport von hitzeempfindlichen Bauteilen. Die Wärmeleitfähigkeit liegt um bis zu 10mal über derjenigen bisheriger Wärmeleitmaterialien.The thermal interface material allows in his final second phase condition the previous solutions a much improved and over a long service life consistently stable heat dissipation of heat-sensitive components. The thermal conductivity is up to 10 times higher than that previous Wärmeleitmaterialien.

In dem festen Phasenzustand kann es bei dem Wärmeleitmaterial grundsätzlich zu keinen Trennungsreaktionen und zu keinem Auslaufen von fließfähigen Materialbestandteilen wie bei den herkömmlichen Wärmeleitpasten kommen. Ebenso entfallen die mit einem solchen Ausbluten einhergehenden negativen Begleiterscheinungen, wie Verunreinigungen, chemische Reaktionen der auslaufenden Materialbestandteile mit benachbarten Bauteilen und die Kurzschlussgefahr.In the solid phase state may in principle with the heat conduction material no separation reactions and no leakage of flowable material components as with the conventional ones Thermal Greases come. Likewise accounts for those associated with such bleeding negative side effects, such as impurities, chemical Reactions of the expiring material components with adjacent ones Components and the risk of short circuit.

Da die Füllstoffpartikel insbesondere im endgültigen zweiten Phasenzustand fest in das dann elastische Phasenwechselmaterial eingebettet sind, zeigen die Füllstoffpartikel auch unter Druck- und/oder Temperatureinwirkung, zu der es während des Betriebs kommen kann, kein unerwünschtes Kriech- und Fließverhalten. Dies gilt auch dann, wenn die Füllstoffpartikel nicht aus einer harten Keramik wie Aluminiumnitrid (AlN), sondern aus einem duktilen Metall wie Aluminium, Silber oder Kupfer bestehen.Since the filler particles, especially in the final second phase state, are firmly embedded in the then elastic phase change material, the filler particles also show pressure and / or temperature effects during which they were used operation, no unwanted creep and flow behavior. This also applies if the filler particles are not made of a hard ceramic such as aluminum nitride (AlN), but of a ductile metal such as aluminum, silver or copper.

Im ersten Phasenzustand ermöglicht das Wärmeleitmaterial dagegen aufgrund des dann noch gegebenen Fließverhaltens einen Ausgleich von Unebenheiten von bis zu einigen 100 μm zwischen einem zu kühlenden Bauteil und einem Kühlkörper. Das Wärmeleitmaterial kann solche Unebenheiten problemlos überbrücken und somit eine Wärmeleitung auch an solchen Stellen gewährleisten. Dadurch können die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der zu kühlenden Bauteile und der Kühlkörper reduziert werden. Es können auch von weniger hochwertig bearbeitete Kühlkörper oder Bauteil-Grundplatten eingesetzt werden.in the first phase state allows the heat conduction material however, due to the then given flow behavior a compensation from unevenness of up to several 100 μm between one to be cooled Component and a heat sink. The thermal interface material can easily bridge such bumps and thus heat conduction also in such places. Thereby can the requirements for dimensional accuracy the one to be cooled Components and the heat sink can be reduced. It can even from less high-quality machined heatsink or component base plates be used.

Der verbesserte Wärmeabtransport mittels des neuen Wärmeleitmaterials bietet auch ansonsten für die Anlagen, in denen das neue Wärmeleitmaterial zum Einsatz kommt, erhebliche Vorteile. So können die zu kühlenden Bauteile stärker belastet werden oder es lässt sich eine längere Lebensdauer erzielen. Mit Vorteil lässt sich das neue Wärmeleitmaterial beispielsweise zum Wärmeabtransport bei einem Leistungshalbleiter, bei einem anderen elektronischen Bauelement, bei der CPU eines Computers, aber auch bei größeren Komponenten, wie einem Elektro-Motor oder einem Generator, einsetzen.Of the improved heat dissipation by means of the new heat conducting material also offers otherwise for the plants in which the new thermal conductivity material is used, significant benefits. So that can be cooled Components stronger be burdened or leave it a longer one Achieve lifetime. Advantageously, the new heat-conducting material can be for example, for heat dissipation in a power semiconductor, in another electronic Component, in the CPU of a computer, but also in larger components, like an electric motor or a generator.

Überall dort kann das Wärmeleitmaterial, das sich aus dem Phasenwechselmaterial als Matrixsubstanz und den gleichmäßig eingemischten wärmeleitfähigen partikelförmigen Inhalts- bzw. Füllstoffen zusammensetzt, im seinem ersten flüssigen oder pastösen Phasenzustand mit Vorteil ein- oder aufgebracht werden, um es anschließend einem Aushärtungs- bzw. Phasenwechselvorgang zu unterziehen und in seinen zweiten elastischplastischen, also festen Phasenzustand zu überführen. Es resultieren jeweils günstige wärmeabführende Gesamtstrukturen mit mindestens einem zu kühlenden Bauteil als Wärmequelle, mindestens einem Kühlkörper als Wärmesenke und mindestens einer dazwischen angeordneten Zwischenschicht aus dem Wärmeleitmaterial als Wärmetransportmedium. Vorteilhaft ist auch das beschriebene mehrstufige Herstellungsverfahren dieser wärmeabführenden Gesamtstrukturen.Everywhere over there can the heat conduction material, the itself from the phase change material as matrix substance and the evenly mixed thermally conductive particulate content or fillers composed, in its first liquid or pasty phase state be with advantage or applied to it then a curing phase change process and in its second elastic-plastic, So to transfer solid phase state. It result in each case favorable heat dissipating forests with at least one to be cooled Component as heat source, at least a heat sink as heat sink and at least one intermediate layer arranged therebetween the Wärmeleitmaterial as a heat transport medium. Also advantageous is the described multi-stage production process this heat dissipating Forests.

Claims (10)

Wärmeleitmaterial mit mindestens zwei Materialbestandteilen, wobei a) der erste Materialbestandteil ein Phasenwechselmaterial ist, das ursprünglich einen flüssigen oder pastösen ersten Phasenzustand hat und irreversibel in einen festen elastischen zweiten Phasenzustand überführbar ist, b) der zweite Materialbestandteil durch einen wärmeleitfähigen Füllstoff in Partikelform gebildet ist, und c) der wärmeleitfähige Füllstoff dem Phasenwechselmaterial in dessen erstem Phasenzustand zugemischt wird und innerhalb des Phasenwechselmaterials gleichmäßig verteilt angeordnet ist.thermal interface material with at least two material components, wherein a) the first Material component is a phase change material that was originally a liquid or pasty has first phase state and irreversible in a solid elastic second phase state is convertible, b) the second material component is formed by a thermally conductive filler in particle form is and c) the thermally conductive filler the phase change material mixed in its first phase state is uniformly distributed within the phase change material is arranged. Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial mittels einer Energiezufuhr vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist.thermal interface material according to claim 1, characterized in that the phase change material by means of an energy supply from the first to the second phase state is convertible. Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial mittels einer Erwärmung über eine Schwelltemperatur vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist.thermal interface material according to claim 1, characterized in that the phase change material by means of a warming over a Threshold temperature can be converted from the first to the second phase state. Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial aus zwei Phasenwechselmaterialkomponenten zusammenmischbar und mittels einer physikalischen oder chemischen Reaktion nach einem Zusammenbringen der beiden Phasenwechselmaterialkomponenten vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist.thermal interface material according to claim 1, characterized in that the phase change material two phase change material components mixable together and by means of a physical or chemical reaction after contacting of the two phase change material components from the first to the second Phase condition is convertible. Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial aus einem viskosen, tixotropen oder vernetzenden Material besteht.thermal interface material according to claim 1, characterized in that the phase change material a viscous, tixotropic or crosslinking material. Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial ein silikon-, polyacrylat-, epoxydharz- oder polyurethanhaltiges Material ist.thermal interface material according to claim 1, characterized in that the phase change material silicone, polyacrylate, epoxy resin or polyurethane containing material is. Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff einen mittleren Partikeldurchmesser von bis zu 100 μm aufweist.thermal interface material according to claim 1, characterized in that the filler has an average particle diameter of up to 100 microns. Verwendung des Wärmeleitmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmaterial, insbesondere in seinem ersten Phasenzustand, zur Bildung einer wärmeleitfähigen Zwischenschicht zwischen eine Wärmequelle und eine Wärmesenke eingebracht wird.Use of the heat conducting material according to one of the preceding claims, characterized that the heat conduction material, especially in its first phase state, to form a thermally conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink is introduced. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die irreversible Überführung von dem ersten in den zweiten Phasenzustand nach dem Einbringen des Wärmeleitmaterials zwischen die Wärmequelle und die Wärmesenke vorgenommen wird.Use according to claim 8, characterized that the irreversible transfer of the first in the second phase state after the introduction of the Wärmeleitmaterials between the heat source and the heat sink is made. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine für die irreversible Überführung von dem ersten in den zweiten Phasenzustand benötigte Energie einem von der Wärmequelle zu der Wärmesenke gerichteten Wärmefluss entzogen wird.Use according to claim 9, characterized in that one for the irreversible Überfüh tion from the first to the second phase state required energy is withdrawn from a directed from the heat source to the heat sink heat flow.
DE102007039902A 2007-08-23 2007-08-23 Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component Ceased DE102007039902A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007039902A DE102007039902A1 (en) 2007-08-23 2007-08-23 Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007039902A DE102007039902A1 (en) 2007-08-23 2007-08-23 Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007039902A1 true DE102007039902A1 (en) 2008-10-16

Family

ID=39744345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007039902A Ceased DE102007039902A1 (en) 2007-08-23 2007-08-23 Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007039902A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105440647A (en) * 2014-08-15 2016-03-30 劲烯科技股份有限公司 Ice-cold compound material and ice-cold slice prepared from ice-cold compound material
DE102021106551A1 (en) 2021-03-17 2022-09-22 Audi Aktiengesellschaft Thermal interface material, battery assembly and automobile

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19905869C1 (en) * 1999-02-12 2000-10-26 Peters Research Gmbh & Co Kg Binder-containing composition for the coating of printed circuit boards, use as printed circuit boards and manufacturing method
US20030160207A1 (en) * 2002-02-20 2003-08-28 Kaneka Corporation Curable composition for heat conductive material
EP1108766B1 (en) * 1999-12-17 2004-04-07 Polymatech Co., Ltd. Adhesion method and electronic component

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19905869C1 (en) * 1999-02-12 2000-10-26 Peters Research Gmbh & Co Kg Binder-containing composition for the coating of printed circuit boards, use as printed circuit boards and manufacturing method
EP1108766B1 (en) * 1999-12-17 2004-04-07 Polymatech Co., Ltd. Adhesion method and electronic component
US20030160207A1 (en) * 2002-02-20 2003-08-28 Kaneka Corporation Curable composition for heat conductive material

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105440647A (en) * 2014-08-15 2016-03-30 劲烯科技股份有限公司 Ice-cold compound material and ice-cold slice prepared from ice-cold compound material
DE102021106551A1 (en) 2021-03-17 2022-09-22 Audi Aktiengesellschaft Thermal interface material, battery assembly and automobile

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112008002566B4 (en) Thermally conductive layer and method of making same, and power module
DE112012005472T5 (en) Electric power semiconductor device and method of manufacturing the same
EP1652231A1 (en) Device comprising at least one heat source formed by a functional element that is to be cooled, at least one heat sink, and at least one intermediate layer located between the heat source and the heat sink and made of a thermally conducting material, and thermally conducting material, especially for use in such a device
DE102009001722B4 (en) Method for applying a heat transfer medium to a heat dissipation surface
EP3749731B1 (en) Thermal contact and filling material, and storage battery assembly having a thermal contact and filling material
DE3247534A1 (en) GRAPHITE DOCUMENTS FOR RADIATOR
DE69205945T2 (en) Interface apparatus between a substrate and a heat sink and method.
DE102018205243A1 (en) Electronic power control module and method of manufacturing an electronic power control module
DE102019200142A1 (en) Cooling unit for removing waste heat from at least one power component
DE102016226262A1 (en) Electronic module, method
DE102007039902A1 (en) Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises a phase change material formed as first material component and filler material formed as second material component
WO2021001001A1 (en) Cooling arrangement
DE102007039903A1 (en) Heat conducting material for forming heat conductive intermediate layer between a heat source and a heat sink, comprises phase change material formed as first material component and heat conducting fiber formed as second material component
DE102020132808B4 (en) Circuit board module, circuit board, heat sink and thermal interface
DE102008034075A1 (en) Power semiconductor module comprises component of power electronics on substrate, where component is embedded into powder ballast in side without substrate
DE102008031297A1 (en) Semiconductor module i.e. power semiconductor module, has filling compound provided in part of housing, and containing non-hardening, thermoplastic polymer with reversible phase change characteristics
DE102018222748B4 (en) cooler
DE102015102041A1 (en) power module
DE102016001790B4 (en) Semiconductor device and method of manufacturing a semiconductor device
DE102009000884B3 (en) Semiconductor module with housing made of preceramic polymer
BE1029924B1 (en) Thermal bridge for the thermally conductive transport of heat
DE102015120110A1 (en) Power semiconductor module with heat sink
EP2402991A2 (en) Semiconductor component with improved heat dispersion
DE102010048529B4 (en) Heat sink with heat distributor
DE102007039901A1 (en) Thermal and electrical contact material for forming thermal and electrical conductive intermediate layer between two contact areas of an electric contact position, comprises a phase change material and a filler material

Legal Events

Date Code Title Description
OAV Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection