Wärmemanagement integrierter LEDs

Thermisch leitfähiges Heat-Sink-Material für den 3D-Druck und die Elektronikintegration

Bei der Integration von Elektronik oder LEDs in additiv gefertigte Kunststoffbauteile ist die Wärmeabfuhr im Betrieb ein Thema. Mittels 3D-Druck (Fused Filament Fabrication, FFF) können hier thermisch leitfähig ausgestattete Kunststoffkomposite als Heat-Sinks eingesetzt werden. Im Rahmen des Projekts »Hyb-Man – Hybrid 3D Manufacturing of Smart Systems« hat das Fraunhofer IFAM Materialen und Prozesse für Anwendungen im Bereich Automotive und Beleuchtung entwickelt.

Leistungsfähigkeit thermisch leitfähiger Komposite

Kunststoffe sind schlechte Wärmeleiter, die thermischen Leitfähigkeiten liegen typischerweise nur um 0,2 W/mK, während Metalle sehr hohe thermische Leitfähigkeiten aufweisen (Aluminium, Stahl 20 W/mK; Kupfer, Bornitrid >300 W/mK) – teilweise jedoch bei gleichzeitig hoher elektrischer Leitfähigkeit. Kunststoffkomposite, die mit thermisch hochleitfähigem Pulver oder Fasern gefüllt werden, können thermische Leitfähigkeiten von mehr als 10 W/mK erreichen, ohne ihre gute Verarbeitbarkeit zu verlieren.

Das Material wird dazu in einem speziellen Compoundier-Prozess hergestellt. Die mengenmäßigen Anteile der Materialeinzelkomponenten können hierbei genauso variiert werden wie die Art der Einzelmaterialien selbst. Als Matrixpolymere können neben einer Reihe thermoplastischer Kunststoffe wie PA 6, PA 6.6, PA 12, PP, PPS, ABS usw. auch thermoplastische Elastomere (TPE) verwendet werden. Als Zuschlagstoffe können feste und schmelzflüssige metallische Substanzen als auch kohlenstoffhaltige oder keramische Pulver in die Kunststoffschmelze eingearbeitet werden.

Herstellung funktionaler Komposite am Fraunhofer IFAM

Durch einen speziellen Compoundier-Prozess ist es dem Fraunhofer IFAM möglich, im Vergleich zu anderen Komposit-Varianten einen sehr hohen Füll-Grad der Zuschlagstoffe von bis zu 50 Vol.% zu realisieren. Dementsprechend verbinden sich in dem Komposit eine gute chemische Beständigkeit, ein geringes Gewicht und eine problemlose Verarbeitbarkeit der Polymere mit den guten thermischen Leitfähigkeiten der Metalle bzw. keramischen Substanzen. Trotz der hohen möglichen Füllgrade lässt sich das Material bei nahezu gleichbleibend guten Verarbeitungsbedingungen auf den handelsüblichen Maschinen und Anlagen der Kunststoffindustrie verarbeiten.

Verarbeitbarkeit im 3D-Druck

Für den 3D-Druck (auch Fused Filament Fabrication, kurz FFF genannt) wird das erhaltene Kompositgranulat zu Filamenten mit homogener Mikrostruktur extrudiert, die geometrische Qualität überprüft und auf Rollen konfektioniert. Die Materialien können direkt auf handelsüblichen 3D-Druckern verdruckt werden. So ist es möglich, 3D gedruckte Bauteile aus mehreren Materialien mit Spezialeigenschaften herzustellen und beispielsweise Elektronikbausteine zu integrieren, über gedruckte Leitbahnen anzubinden oder maßgeschneiderte Heat-Sinks zu drucken. Eine Verarbeitung der funktionalen Komposite direkt aus dem Granulat mittels neuartiger 3D-Pelletdrucker sowie durch anderweitige kunststoffverarbeitende Prozesse, wie Spritzguss oder Extrusion ist ebenso möglich wie das Kalandrieren oder Pressen.Durch einen speziellen Compoundier-Prozess ist es dem Fraunhofer IFAM möglich, im Vergleich zu anderen Komposit-Varianten einen sehr hohen Füll-Grad der Zuschlagstoffe von bis zu 50 Vol.% zu realisieren. Dementsprechend verbinden sich in dem Komposit eine gute chemische Beständigkeit, ein geringes Gewicht und eine problemlose Verarbeitbarkeit der Polymere mit den guten thermischen Leitfähigkeiten der Metalle bzw. keramischen Substanzen. Trotz der hohen möglichen Füllgrade lässt sich das Material bei nahezu gleichbleibend guten Verarbeitungsbedingungen auf den handelsüblichen Maschinen und Anlagen der Kunststoffindustrie verarbeiten.

Flexible Erstproduktion von smarten Systemen

Im Projekt »Hyb-Man - Hybrid 3D Manufacturing of Smart Systems« hat das Fraunhofer IFAM zusammen in einem Konsortium bestehend aus 10 Partnern aus den Niederlanden und Deutschland, hybride 3D-Fertigungsverfahren entwickelt. Diese ermöglichen eine flexible Erstproduktion von smarten Systemen für Beleuchtungs- und Automobilprodukte. Das neue hybride 3D-Fertigungsverfahren nutzt dabei die additive Fertigung als zentrale Produktionstechnologie, kombiniert mit der Montage und Integration elektronischer Teile.

Unter der Leitung von Dipl.-Ing. Arne Haberkorn konzentrieren sich Aktivitäten des Fraunhofer IFAM im Projekt auf die Entwicklung neuer hochleitfähiger Materialien für den 3D-Druck (FFF) und auf die Kombination von FFF und Dispensen in einem Prozess. Zur Demonstration wurde ein Bauteil im integrierten LEDs entworfen, das mittels 3D-Druck (FFF) realisiert wurde. Dazu wurde das Kunststoffgehäuse aus konventionellem Polymer und die Kühlrippen für die LEDs aus hochleitfähigem Polymerkomposit in einem Prozess gedruckt.

Das Projekt »Hyb-Man« wurde u. a. gefördert vom BMBF (FKZ: 16ES0624) im Forschungsprogramm IKT 2020 - Forschung für Innovationen im Rahmen des EUREKA-Clusters PENTA, das Innovationen im Bereich mikro- und nanoelektronischer Komponenten und Systeme unterstützt.