DE102007039903A1

DE102007039903A1 - Wärmeleitmaterial mit zwei Materialbestandteilen und Verwendung des Wärmeleitmaterials

Info

Publication number: DE102007039903A1
Application number: DE102007039903A
Authority: DE
Inventors: Stefan Fruhnert; Martin Dr. Helsper
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Das Wärmeleitmaterial hat mindestens zwei Materialbestandteile. Der erste Materialbestandteil ist ein Phasenwechselmaterial, das ursprünglich einen flüssigen oder pastösen ersten Phasenzustand hat und irreversibel in einen festen elastischen zweiten Phasenzustand überführbar ist. Der zweite Materialbestandteil ist durch längliche, jeweils eine Faserlängsrichtung aufweisende wärmeleitfähige Fasern, die jeweils in Richtung ihrer Faserlängsrichtung eine größere Wärmeleitfähigkeit haben als in einer anderen Richtung, gebildet. Die wärmeleitfähigen Fasern werden dem Phasenwechselmaterial in dessen erstem Phasenzustand zugemischt und sind innerhalb des Phasenwechselmaterials gleichmäßig verteilt angeordnet.

Description

Wärmeleitmaterial mit zwei Materialbestandteilen und Verwendung des Wärmeleitmaterials
Die Erfindung betrifft ein Wärmeleitmaterial mit mindestens zwei Materialbestandteilen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des 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.
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.
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 Paraffinöl, 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.
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.
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 längliche, jeweils eine Faserlängsrichtung aufweisende wärmeleitfähige Fasern, die jeweils in Richtung ihrer Faserlängsrichtung eine größere Wärmeleitfähigkeit haben als in einer anderen Richtung, gebildet ist, und die wärmeleitfähigen Fasern dem Phasenwechselmaterial in dessen erstem Phasenzustand zugemischt werden und innerhalb des Phasenwechselmaterials gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Wärmeleitmaterial vereint die Vorteile der bisher verwendeten Wärmeleitpasten und festen Wärmeleit elemente. Im ersten flüssigen oder pastösen Phasenzustand des Phasenwechselmaterials verhält sich das erfindungsgemäße Wärmeleitmaterial 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 Fasern als wärmeleitfähige Füllstoffe 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.
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 Fasern 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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeleitmaterials ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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.
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.
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.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung bestehen die Fasern aus einem metall-, kohlenstoff- oder keramikhaltigen Material. Diese Stoffe haben eine sehr gutes thermisches Absorptions- und Transportverhalten. Als keramikhaltiges Material kommt beispielsweise eine Aluminiumoxid (Al₂O₃)- oder eine Aluminiumnitrid (AlN)-Keramik in Frage. Denkbare kohlenstoffhaltige Materialien sind Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffnanofasern. Bei dem metallhaltigen Material kann es sich z. B. um Silber, Kupfer, Aluminium oder Zinn handeln.
Bevorzugt ist es außerdem, wenn die Fasern als Kohlenstoffnanofasern ausgeführt sind, die vorzugsweise eine senkrecht zu der Faserlängsrichtung orientierte Ausdehnung von höchstens einigen 100 nm, insbesondere von höchstens 200 nm, haben. In der Faserlängsrichtung ist die Längsabmessung dagegen insbesondere weitgehend beliebig. Die Länge kann sich zwischen einigen Nanometern bis zu vielen Mikrometern, z. B. 20 μm bis 100 μm, bewegen. Auch noch längere Kohlenstoffnanofasern sind grundsätzlich vorstellbar. Die Kohlenstoffnanofasern können ein- und/oder mehrwandige Röhren enthalten, die offen oder geschlossen vorliegen können. Außerdem können sie leer oder gefüllt sein. Diese Kohlenstoffnanofasern (= Kohlenstoffnanoröhrchen) haben sehr günstige mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften. Besonders günstig ist die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, sodass mittels eines mit solchen Kohlenstoffnanofasern realisierten Wärmeleitmaterials eine sehr gezielte und schnelle Ab- oder Einleitung von Konvektions-, Strahlungs- oder Wärmeenergie sowie eine sehr guter Wärmetransport möglich sind. Neben den günstigen thermischen Eigenschaften, wie außergewöhnlich gutem Wärmetransport und guter Wärmeeinkopplung, bewirken die Kohlenstoffnanofasern in dem Matrixverbund mit dem Phasenwechselmaterial auch sehr gute elektrische Eigenschaften, wie eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Je nach Anwendungsfall und je nach vorgesehenem Phasenwechselmaterial kann die Konzentration der Kohlenstoffnanofasern im Wärmeleitmaterial über einen weiten Bereich variieren. Der Gewichtsanteil der Kohlenstoffnanofasern kann sich insbesondere zwischen 10% und 90% bewegen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind die Fasern als Metalldrahtelemente ausgeführt. Die Metalldrahtelemente bestehen insbesondere aus Silber, Aluminium, Kupfer oder Zinn. Diese Metalle haben eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit, so dass Fasern in Form von Drahtelementen aus diesen Metallen auch bei dem Wärmeleitmaterial zu einem dementsprechend guten Verhalten führen.
Vorteilhaft ist außerdem eine Variante, bei der die Fasern beschichtet sind, sowie ein Fasergrundmaterial und mindestens ein auf das Fasergrundmaterial aufgebrachtes Faserbeschichtungsmaterial umfassen. Als Faserbeschichtungsmaterial ist dabei insbesondere mindestens ein Material der Gruppe aus einem Glas, einem Glasschaum, einem Metall, insbesondere Kupfer und Aluminium, einem Metallschaum, einem thermosplastischen Kunststoff, einem Silikon, einem Acrylen und einem Polyacrylen vorgesehen. Eine derartige Beschichtung des Fasergrundmaterials bewirkt zusätzliche günstige Materialeigenschaften. Insbesondere kann diese Beschichtung als Haftvermittler, als metallischer Leiter, als mechanisches Stützgerüst oder als zusätzliches thermisches Übertragungselement verwendet werden. Das Faserbeschichtungsmaterial kann beispielsweise unter hohem Druck ein Fließverhalten aufweisen, sodass es als Haftverbindungsschicht zwischen einzelnen Fasern oder zwischen den Fasern und dem Phasenwechselmaterial dient.
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.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 12. 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.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung des Wärmeleitmaterials ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 12 abhängigen Ansprüche.
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.
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.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
Ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeleitmaterials hat als Phasenwechselmaterial ein einkomponentiges Polyurethan, dem als wärmeleitfähiger Füllstoff Kohlenstoffnanofasern (= Kohlenstoffnanoröhrchen) in einer Konzentration von etwa 30% zugesetzt sind. Die Kohlenstoffnanofasern werden dem Phasenwechselmaterial noch in dessen flüssigem Phasenzustand zugemischt.
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.
Die verwendeten Kohlenstoffnanofasern können als ein- und/oder mehrwandige, offene und/oder geschlossene, leere und/oder gefüllte Röhren ausgeführt sein. Jedenfalls zeichnen sie sich durch eine außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit in Richtung ihrer Faserlängsrichtung (= z-Achsenrichtung der Röhren) aus. Als Kohlenstoffnanofasern kommen z. B. die Fasern mit der Produktbezeichnung „Baytube C 150P" von der Firma Bayer AG sowie die Fasern mit der Produktbezeichnung „HTF 150FF" von der Firma Electrovac AG in Frage.
Diese Fasern weisen eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit von typischerweise mehr als 600 W/mK und von insbesondere bis zu 6500 W/mK auf der Faser auf. Im Labor wurden auch schon Kohlenstofffasern mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 10000 W/mK realisiert. Die Fasern mit besonders hohen thermischen Leitwerten sind überwiegend Nanofasern. Auch bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden diese besonders günstigen Kohlenstoffnanofasern eingesetzt, die auch als Carbonnanofasern (engl. „Carbon Nano Tubes" oder abgekürzt „CNT") bezeichnet werden. Dabei haben diese Kohlenstoffnanofasern einen Innendurchmesser von mindestens 1 nm, einen Außendurchmesser von mindestens 5 nm und eine Faserlänge in der Faserlängsrichtung von mindestens 20 nm. Solche Kohlenstoffnanofasern haben eine sehr große Oberflächenstruktur. Das Verhältnis ihrer geometrischen Oberfläche zu ihrem Gewicht liegt bei bis zu 400 m²/g. Damit eignen sie sich sehr gut zur Einkopplung verschiedener Energieformen.
Durch die Einbettung der wärmeleitfähigen Kohlenstoffnanofasern in eine Matrix mit dem Polyurethan-Phasenwechselmaterial, dessen mechanische Eigenschaften aufgrund des Phasenwechsels gezielt verändert werden können, ergibt sich ein Wärmeleitmaterial mit folgenden Vorteilen.
Das Wärmeleitmaterial ist sowohl besonders gut wärmeleitfähig als auch weist es im festen zweiten Phasenzustand teilweise elastisches Verhalten auf.
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 zweiten 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 Kohlenstoffnanofasern bedingte besonders hohe Wärmeleitfähigkeit beibehalten hat.
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.
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.
Da die Faser-Füllstoffe insbesondere im endgültigen zweiten Phasenzustand fest in das dann elastische Phasenwechselmaterial eingebettet sind, zeigen die Fasern 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 Fasern nicht aus hartem Kohlenstoff, sondern aus einem duktilen Metall wie Aluminium, Silber oder Kupfer bestehen.
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.
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.
Überall dort kann das Wärmeleitmaterial, das sich aus dem Phasenwechselmaterial als Matrixsubstanz und den gleichmäßig eingemischten wärmeleitfähigen faserförmigen Inhalts- bzw. Füllstoffen zusammensetzt, im seinem ersten flüssigen oder pastösen Phasenzustand mit Vorteil ein- oder aufgebracht werden, um es anschließend einem Aushärtungs- bzw. Phasenwech selvorgang 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.

Claims

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 längliche, jeweils eine Faserlängsrichtung aufweisende wärmeleitfähige Fasern, die jeweils in Richtung ihrer Faserlängsrichtung eine größere Wärmeleitfähigkeit haben als in einer anderen Richtung, gebildet ist, und c) die wärmeleitfähigen Fasern dem Phasenwechselmaterial in dessen erstem Phasenzustand zugemischt werden und innerhalb des Phasenwechselmaterials gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial mittels einer Energiezufuhr vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial mittels einer Erwärmung über eine Schwelltemperatur vom ersten in den zweiten Phasenzustand überführbar ist.
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.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial aus einem viskosen, tixotropen oder vernetzenden Material besteht.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial ein silikon-, polyacrylat-, epoxydharz- oder polyurethanhaltiges Material ist.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus einem metall-, kohlenstoff- oder keramikhaltigen Material bestehen.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Kohlenstoffnanofasern ausgeführt sind, die vorzugsweise eine senkrecht zu der Faserlängsrichtung orientierte Ausdehnung von höchstens einigen 100 nm, insbesondere von höchstens 200 nm, haben.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Metalldrahtelemente ausgeführt sind.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern beschichtet sind, sowie ein Fasergrundmaterial und mindestens ein auf das Fasergrundmaterial aufgebrachtes Faserbeschichtungsmaterial umfassen.
Wärmeleitmaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserbeschichtungsmaterial mindestens ein Material der Gruppe aus einem Glas, einem Glasschaum, einem Metall, insbesondere Kupfer und Aluminium, einem Metallschaum, einem thermoplastischen Kunststoff, einem Silikon, einem Acrylen und einem Polyacrylen vorgesehen ist.
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.
Verwendung nach Anspruch 12, 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.
Verwendung nach Anspruch 13, 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.