Wärmeleitender Klebstoff dient sowohl der strukturellen Verklebung als auch als kontrollierter Wärmeübertragungsweg für Elektronik, Batterien, Motoren, Sensoren und andere wärmeerzeugende Komponenten in Drohnen und unbemannten Systemen. Zu den Formulierungen zählen wärmeleitende Epoxid-, Silikon- und Acryl-Systeme sowie elektrisch isolierende und elektrisch leitende Systeme.
In dieser Kategorie werden führende Hersteller von wärmeleitenden Klebstoffen vorgestellt, deren Produkte Systeme wie Flugcomputer, Leistungselektronik, HF-Module, Bildgebungssysteme und Motorsteuerungen unterstützen.
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ET5441 von Permabond
Wärmeleitender Klebstoff verbindet mechanische Verbindung mit einem kontrollierten Wärmeabfuhrweg von elektronischen Bauteilen, Leistungsbauelementen, Batterien, Motoren und anderen wärmeerzeugenden Baugruppen. In unbemannten Systemen ermöglichen diese Materialien kompakte thermische Konstruktionen, bei denen herkömmliche mechanische Befestigungselemente oder separate Wärmeleitmaterialien zusätzliches Gewicht, Komplexität oder Bauraum verursachen würden.
Die Auswahl eines wärmeleitenden Klebstoffs erfordert mehr als nur den Vergleich der angegebenen Wärmeleitfähigkeitswerte. Die Dicke der Klebefuge, elektrische Eigenschaften, die Haftung auf dem Substrat, die mechanische Nachgiebigkeit, Aushärtungsanforderungen, die Viskosität und die Umwelteinflüsse beeinflussen alle die tatsächliche Leistungsfähigkeit. Aushärtungsschrumpfung, unterschiedliche Wärmeausdehnung, das Glasübergangsverhalten und die langfristige thermische Alterung können ebenfalls die Integrität der Verbindung und die Wärmeübertragungsleistung beeinträchtigen.
Diese Faktoren sind besonders wichtig für unbemannte Plattformen, die Vibrationen, Temperaturwechseln, Feuchtigkeit sowie Einschränkungen hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistungsbudget ausgesetzt sind.
Ein wärmeleitendes Epoxidharz bietet in der Regel eine starke Haftung, Formstabilität und eine gute Beständigkeit gegenüber anspruchsvollen Betriebsumgebungen. Wärmeleitende Epoxidklebstoffe eignen sich in großem Umfang für die dauerhafte Verklebung von Bauteilen, die Befestigung von Kühlkörpern, elektronische Baugruppen sowie für Anwendungen, bei denen mechanische Festigkeit mit einer effektiven Wärmeübertragung einhergehen muss.
Da viele Epoxidharzsysteme relativ steif aushärten, sollten Ingenieure auch die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den verklebten Substraten berücksichtigen, insbesondere wenn wiederholte Temperaturwechsel die Klebefuge belasten könnten.
Wärmeleitende Silikonklebstoffe bieten im Allgemeinen eine größere Flexibilität als starre Epoxidharzsysteme. Diese Nachgiebigkeit kann dazu beitragen, Vibrationen und unterschiedliche Wärmeausdehnungen zwischen den verklebten Materialien auszugleichen, wodurch sich Silikonformulierungen besonders dort eignen, wo Elektronik, Gehäuse oder thermische Komponenten wiederholten Temperaturschwankungen oder mechanischen Bewegungen ausgesetzt sind. Ihre geringere Steifigkeit kann zudem von Vorteil sein, wenn die Belastung empfindlicher Bauteile oder Substrate begrenzt werden muss.
Wärmeleitende Acrylklebstoffe ermöglichen eine relativ schnelle Verarbeitung und eine starke Verklebung auf geeigneten Substraten. Sie können für Produktionsumgebungen in Betracht gezogen werden, in denen die Montagegeschwindigkeit eine wichtige Rolle spielt; allerdings müssen Ingenieure die Temperaturbeständigkeit, die chemische Beständigkeit, die elektrischen Eigenschaften, das Aushärtungsverhalten sowie die langfristige Umweltbeständigkeit für die jeweilige Plattform bewerten.
Einkomponentenmaterialien vereinfachen die Dosierung, da kein Mischen vor Ort erforderlich ist, obwohl sie zur Aushärtung unter Umständen auf Wärme, Feuchtigkeit oder einen anderen Mechanismus angewiesen sind. Zweikomponentensysteme härten aus, nachdem Harz und Härter miteinander vermischt wurden, und bieten Ingenieuren unterschiedliche Verarbeitungszeiten, Aushärtungszeitpläne und Verarbeitungseigenschaften. Die Topfzeit, die Genauigkeit des Mischverhältnisses, die Aushärtungstemperatur, die Lagerungsanforderungen, die Dosierkonsistenz und eine mögliche exotherme Reaktion während der Aushärtung sollten bei der Herstellung und Qualifizierung ebenfalls berücksichtigt werden.
Viele wärmeleitende Klebstoffe für die Elektronik verwenden elektrisch isolierende Füllstoffe, damit Wärme eine Grenzfläche überqueren kann, ohne einen unerwünschten Strompfad zu erzeugen. Für Anwendungen, die beide Funktionen erfordern, stehen auch elektrisch leitfähige Formulierungen zur Verfügung; deren Einsatz erfordert jedoch eine sorgfältige Abwägung hinsichtlich Schaltungslayout, Erdung und Isolierung. Wo elektrische Isolierung erforderlich ist, sollten auch die Durchschlagfestigkeit und deren Beibehaltung nach Umwelteinflüssen bewertet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit wird üblicherweise durch die Dispersion leitfähiger Partikel in einer Polymermatrix erhöht. Die Wahl des Füllstoffs beeinflusst nicht nur die Wärmeübertragung, sondern auch das elektrische Verhalten, die Viskosität, die Dichte, die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit.
LOCTITE® EA 9497 von Henkel
Ein höherer Füllstoffanteil kann die Wärmeübertragungsfähigkeit verbessern, jedoch auch die Viskosität, die Dichte, die Sprödigkeit oder die Schwierigkeit bei der Bildung einer dünnen und gleichmäßigen Klebefuge erhöhen. Eine hohe Viskosität kann das Dosieren und die Benetzung beeinträchtigen, während eingeschlossene Luft oder Hohlräume die effektive thermische Leistung verringern können. Das Verarbeitungsverhalten sollte daher zusammen mit den thermischen Daten bewertet werden.
Autopiloten und Flugsteuerungscomputer vereinen Prozessoren, Leistungskomponenten und unterstützende Elektronik in kompakten Gehäusen. Ein wärmeleitender Klebstoff kann ausgewählte Komponenten oder Wärmeverteiler mit der Gehäusestruktur verbinden und so dazu beitragen, vorhersehbare Wärmeleitwege zu schaffen und gleichzeitig eine mechanische Befestigung zu gewährleisten. Die Gleichmäßigkeit der Klebefuge ist wichtig, da eine übermäßige Dicke oder Hohlräume den Wärmewiderstand erhöhen können.
Hochleistungsfähige eingebettete Computer erzeugen konzentrierte Wärme auf begrenztem Bauraum. Ein geeigneter Prozessorklebstoff oder Wärmeleitklebstoff für die Integration von Kühlkörpern kann Prozessoren, Wärmeverteiler, Module oder Stützstrukturen miteinander verbinden und gleichzeitig die Abhängigkeit von separaten Befestigungselementen verringern. Ingenieure sollten die Dicke der Klebefuge kontrollieren und sicherstellen, dass die umgebende Struktur einen effektiven Weg für die abgeführte Wärme bietet.
Wandler, Regler, Batteriemanagement-Elektronik und Hochstrombauteile können erhebliche lokale Wärmeentwicklung verursachen. Wärmeleitende Klebstoffe für Batteriekästen können zudem die thermische Kopplung zwischen Zellen, Modulen, Strukturelementen oder Kühlflächen unterstützen, sofern die gewählte chemische Zusammensetzung mit dem gesamten Batteriedesign kompatibel ist. Bei der Auswahl des Klebstoffs sollten zudem die elektrische Isolierung, die Ausdehnung der Zellen, die chemische Verträglichkeit, das Brandverhalten sowie die Auswirkungen von Temperaturänderungen der Batterie berücksichtigt werden.
Motoren, Wechselrichter und elektronische Drehzahlregler erfordern effektive Wärmeleitwege, um die Betriebstemperaturen innerhalb der für die Geräte festgelegten Grenzwerte zu halten. Wärmeleitende Klebstoffe können zum Verkleben von elektronischen Bauteilen, Gehäusen, Wärmeverteilern oder anderen Schnittstellen verwendet werden, die Vibrationen und wiederholten Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Der ausgewählte Klebstoff muss über den erwarteten Betriebstemperaturbereich hinweg geeignete mechanische und thermische Eigenschaften beibehalten.
Funkgeräte, Datenverbindungen, Verstärker und Hochfrequenzmodule (HF-Module) können bei ihrem Betrieb in dicht gepackten Avionikbaugruppen lokale thermische Belastungen erzeugen. Wärmeleitender Klebstoff kann dazu beitragen, diese Wärme an Gehäuse oder spezielle Kühlkörper abzuleiten, ohne dass an jeder Schnittstelle eine separate mechanische Befestigung erforderlich ist. Elektrische Eigenschaften sind besonders wichtig, wenn der Klebstoff in der Nähe von HF-Schaltkreisen oder leitfähigen Strukturen angebracht wird.
Elektrooptische Nutzlasten, Kameras und Sensorelektronik erfordern häufig eine stabile Positionierung der Komponenten sowie eine kontrollierte Temperatur. Bei der Auswahl des Klebstoffs muss ein Gleichgewicht zwischen Wärmeübertragung und Steifigkeit, Maßhaltigkeit, elektrischer Isolation, Aushärtungsschrumpfung sowie der Möglichkeit gefunden werden, dass sich die Wärmeausdehnung auf ausrichtungsempfindliche Baugruppen auswirken könnte.
Navigationscomputer, Trägheitssysteme und Positionierungselektronik können von einer kontrollierten Wärmeableitung profitieren, wenn interne Temperaturen die Leistung oder Zuverlässigkeit der Komponenten beeinflussen. Die Integration des Klebstoffs sollte die elektrische Isolation und die mechanische Stabilität gewährleisten und gleichzeitig die Wärme zu einem geeigneten strukturellen oder thermischen Kühlkörper leiten.
Der geeignete wärmeleitende Klebstoff hängt vom gesamten thermischen, elektrischen, mechanischen, fertigungstechnischen und umgebungsbezogenen Design ab. Zu den wichtigsten Auswahlkriterien gehören:
Ein geeigneter wärmeleitender Klebstoff wird daher als Teil der gesamten thermischen Architektur ausgewählt und nicht lediglich als thermischer Klebstoff für einen Kühlkörper. Die Abstimmung von Materialeigenschaften, Verarbeitungsanforderungen, Klebegeometrie und Qualifikationsbedingungen auf die tatsächliche Schnittstelle trägt dazu bei, ein besser vorhersehbares thermisches und mechanisches Design zu erzielen.
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