Harzmaterialien für verbessertes Wärmemanagement in elektronischen Geräten

Bei SunForce™-Produkten handelt es sich um Schaumstoffperlen aus XYRON™-modifizierten PPE-Harzen, die die hervorragenden physikalischen Eigenschaften modifizierter PPE-Harze – einschließlich Hitzebeständigkeit, Dimensionsstabilität und geringer Wasseraufnahme – mit dem geringen Gewicht und den guten Hilfsstoffeigenschaften (Formflexibilität) von perlenförmigen Schäumen kombinieren.

Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Flammschutz und Hitzebeständigkeit, dass SunForce™-Schäume selbst in Form eines Perlenschaummaterials den strengen Entflammbarkeitsstandard UL94 V-0 erfüllen.

Da SunForce™-Produkte im In-Mold-Foaming-Verfahren hergestellt werden, sind sie auch optimal für die Massenproduktion geeignet.

Darüber hinaus macht die unabhängige Blasenstruktur der SunForce™-Schäume diese Materialien zu hervorragenden Wärmedämmstoffen.

Im Folgenden stellen wir zwei beispielhafte Anwendungen vor, die die einzigartigen Eigenschaften von SunForce™-Schäumen nutzen, um das Wärmemanagement in elektronischen Geräten zu verbessern.

SunForce™ eignet sich aufgrund seiner Herstellung aus kleinen Kügelchen und des Aufschäumens in einer Form sowie seiner hohen Hitzebeständigkeit und Flammwidrigkeit (UL94-zertifiziert nach V-0) für die Massenproduktion dünnwandiger, komplex geformter Wärmedämmstoffe. Dies ermöglicht die Herstellung von Dämmstoffen, die sich an die Formen komplexer Bauteile anpassen.

Zur Isolierung komplexer Bauteile wird üblicherweise Glaswolle oder Polyurethanschaum von Hand aufgebracht. Der Einsatz von SunForce™​ ​verbessert jedoch nicht nur die Wärmeableitung durch hohe Wärmedämmung, sondern trägt auch zur Kondensationsvermeidung, zur Reduzierung der Teileanzahl (wodurch Arbeitsaufwand und Kosten gespart werden) sowie zu höherer Produktivität und Montagegenauigkeit (wodurch eine gleichbleibende Produktqualität gewährleistet wird) bei der Montage bei.

Dank dieser Eigenschaften kann SunForce™ in zahlreichen Bereichen eingesetzt werden, in denen hohe Leistung und Sicherheit erforderlich sind, z. B. als Kühlkomponenten für Kraftfahrzeuge, als Kühlteile für 5G/6G-Kommunikationsgeräte und Solarstromaufbereiter, als Wasserkühlkomponenten für Rechenzentren und KI-Server, in Motorölabscheidern und in Klimaanlagenkanälen.

In unserem ersten Beispiel verwenden wir SunForce™-Hitzeschilde, um eine Wärmeisolierung in einer elektronischen Leiterplatte mit stark wärmeabgebenden Komponenten zu erreichen (wie sie beispielsweise in einer PCS-Einheit in einem Solarstromgenerator zu finden sind).

Die hervorragenden Wärmedämmeigenschaften, die hohe Formflexibilität, die Flammwidrigkeit und die Hitzebeständigkeit der SunForce™-Schäume machen sie zu idealen Materialien für Hitzeschilde, um wärmeabgebende Bereiche von nicht wärmeabgebenden Bereichen elektronischer Leiterplatten zu isolieren.

Die folgenden Abbildungen zeigen die Temperaturverteilung im Inneren eines elektronischen Geräts, berechnet mithilfe eines thermischen Analysemodells, vor und nach dem Anbringen von wärmeisolierenden SunForce™-Hitzeschilden. Diese isolieren stark wärmeabgebende Komponenten von nicht wärmeabgebenden. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie SunForce™-Wärmemanagementlösungen die internen Gerätetemperaturen signifikant senken können.

Dieses Beispiel zeigt, wie Hitzeschilde aus SunForce™-Schäumen die Miniaturisierung elektronischer Geräte vereinfachen können, indem sie die Betriebstemperatur senken, den Verschleiß von Bauteilen verhindern und eine größere Flexibilität bei der Bauteilanordnung ermöglichen.

Unser zweites Beispiel betrifft die Installation von wärmeisolierenden SunForce™-Kanälen auf einer elektronischen Leiterplatte mit stark wärmeabgebenden Bauteilen. Dies ergänzt das oben beschriebene Beispiel mit dem Hitzeschild und zeigt eine alternative Möglichkeit auf, wie die einzigartigen Eigenschaften von SunForce™-Schäumen zur Verbesserung des Wärmemanagements in elektronischen Geräten genutzt werden können.

Unterschiede in den Betriebstemperaturen elektronischer Komponenten führen zu Konvektionsluftströmen in elektronischen Geräten. In einigen Fällen können verschiedene Faktoren – wie die Anordnung der Komponenten oder die Temperaturverteilung innerhalb des Geräts – dazu führen, dass der Luftstrom durch bestimmte Gerätebereiche behindert wird, was die Leistung der Kühlmechanismen beeinträchtigt und einen Anstieg der Komponententemperaturen verursacht.

Das Problem der behinderten Luftströmung tritt in dem in diesem Beispiel betrachteten System auf: einer Solarzellen-PCS-Einheit mit internem Lüfter, die in der Abbildung unten links schematisch dargestellt ist. Um dieses Problem zu beheben, haben wir die Konstruktion durch die Installation wärmeisolierender SunForce™-Kanäle um die Lüftereinheit herum verbessert, wie in der Abbildung unten rechts dargestellt.

Die untenstehenden Strömungsdiagramme zeigen simulierte Luftströmungen durch das elektronische Gerät vor und nach dem Einbau der SunForce™-Kanäle. Der Vergleich dieser Diagramme verdeutlicht, dass die Kanäle neue Wege für den Luftstrom durch das Gerät schaffen und so für gleichmäßig kontrollierte Luftströmungen in allen Phasen – von der Ansaugung bis zur Abluft – sorgen. Die Verbesserung der Luftströmungsqualität ist insbesondere in der Nähe wärmeabgebender Bauteile deutlich.

Die simulierten Temperaturverteilungen sind unten dargestellt: Der durch die Kanäle ermöglichte kontrollierte Luftstrom führt zu einer deutlichen Reduzierung der Komponententemperaturen.

Dieses Beispiel zeigt, wie thermisch isolierende Kanäle aus SunForce™-Schäumen die Luftstromkontrolle in elektronischen Geräten verbessern und dadurch die Bauteiltemperaturen senken, Bauteilverschleiß verhindern und eine größere Flexibilität bei der Bauteilanordnung ermöglichen.

Das modifizierte PPE-Harz XYRON™ von Asahi Kasei ist ein allgemeiner Begriff für Polymerlegierungen, die Polyphenylenether (PPE) mit anderen Harzen kombinieren.

XYRON™ verfügt über mehrere hervorragende Eigenschaften. Neben seiner hohen Hitzebeständigkeit zeichnet es sich auch durch hervorragende Flammbeständigkeit, Dimensionsstabilität und Wasserbeständigkeit sowie ein geringes spezifisches Gewicht aus. Durch die Zugabe von PPE und die Nutzung der Eigenschaften anderer Harze entsteht eine Polymerlegierung, die einen Synergieeffekt mit den Eigenschaften von PPE erzielt.

Wir schlagen XYRON™ G703Z (PS/PPE-Legierung, GF30 %) vor, ein modifiziertes PPE-Harz, das halogenfrei und TPP*-frei ist und dünnwandige Flammbeständigkeit mit hoher Festigkeit kombiniert, als Material für Hochgeschwindigkeitslüftermotoren, die im Wärmemanagement von Servern verwendet werden.
* TPP: Triphenylphosphat

PPE-Harz hat unter den technischen Kunststoffen ein besonders niedriges spezifisches Gewicht, was zum Gewicht des Lüfters beiträgt. Dies reduziert die im Lüfter bei hoher Drehzahl erzeugte Zentrifugalkraft und verhindert Verformungen. Dadurch kann der Lüfter mit höherer Drehzahl rotieren, was ein höheres Luftvolumen und eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht.

XYRON™ G703Z (PS/PPE-Legierung, 30 % GF) ist hochhitzebeständig und behält auch in Hochtemperaturumgebungen hervorragende mechanische Eigenschaften. So hält es den Umgebungstemperaturanstiegen von Hochleistungsservern stand, die teilweise bis zu 90 °C erreichen können. Darüber hinaus ist XYRON™ G703Z (PS/PPE-Legierung, 30 % GF) halogenfrei, TPP-frei, dünnwandig und flammhemmend (UL94 V-0/0,75 mm), was bisher nur schwer zu erreichen war. Dies macht es zum idealen Material für Hochgeschwindigkeits-Lüftermotoren von Servern.

Wie das Diagramm unten zeigt, weist XYRON™ G703Z (PS/PPE-Legierung, GF30%) eine geringe Temperaturabhängigkeit des spezifischen Elastizitätsmoduls auf, was sich auf die Verformung des Lüfters während der Rotation auswirkt. Daher verformt sich der Lüfter auch bei hohen Temperaturen kaum und ein stabiler Luftstrom bleibt gewährleistet.

Asahi Kasei hat Musterbeispiele für die Haltbarkeitsprüfung von Lüftermotoren hergestellt und führt praktische Leistungsbewertungen der Materialien durch.

Wir scannen handelsübliche Lüftermotoren in 3D, erstellen Spritzgussformen aus CAD-Daten, formen Harzmodellproben und führen Materialvergleiche durch. Da die Temperatur dieser Modellproben in einem Ofen kontrolliert werden kann, können wir Haltbarkeitstests bei Temperaturen und Drehzahlen durchführen, die der tatsächlichen Einsatzumgebung nahe kommen.

Die Download-Materialien enthalten detaillierte Daten zu Haltbarkeitstests, also schauen Sie doch mal rein.