Wärmeleitmaterialien

Wärmetechnik der nächsten Generation: Kupfer-Metallschäume

| Autor / Redakteur: Will Battrick * / Kristin Rinortner

Kupfer-Metallschäume: Leichtes und stabiles Material für hocheffiziente Kühlkörper, die von Flüssigkeit durchströmt werden können.
Kupfer-Metallschäume: Leichtes und stabiles Material für hocheffiziente Kühlkörper, die von Flüssigkeit durchströmt werden können. (Bild: Versarien)

Metallschäume auf Kupferbasis sind nicht nur leicht und stabil, sondern haben eine ca. 10fach höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum Metall. Jetzt lassen sie sich auch kostengünstig fertigen.

Über ein breites Spektrum von Industriebereichen hinweg besteht eine zunehmende Nachfrage nach einer effektiveren Wärmemanagement-Technologie. Rechenzentren werden im Zuge des Versuchs, den Bandbreitenhunger zu stillen, mit einer immer größeren Zahl von Servern sowie zahllosen Hochleistungsprozessoren geradezu vollgestopft. Ähnlich werden immer mehr Funktionen in Geräte der Konsumelektronik wie Spielautomaten, Smartphones, Laptop- und Tablet-Computer integriert, während gleichzeitig der Formfaktor dieser Produkte schrumpft.

Bei Kraftfahrzeugen treten im Zuge der wachsenden Verbreitung von X-by-Wire-Systemen elektronische Systeme an die Stelle von mechanischen. Und auch die Beleuchtungstechnik durchlebt gewaltige Veränderungen, nachdem Glühlampen, Leuchtstoffröhren und Hochdruck-Entladungslampen durch LED-basierte Leuchten mit einer besseren Energieeffizienz und Flexibilität ersetzt werden. Soll die Langzeitzuverlässigkeit dieser Systeme gewährleistet werden, müssen die von ihnen erzeugten hohen Wärmemengen effizient abgeführt werden.

Ingenieure, die in den erwähnten Bereichen tätig sind, suchen folglich nach Lösungen zum Wärmemanagement, die merklich effektiver sind. Denn die herkömmlichen Kühlkörpertechniken, die bislang Verwendung fanden, sind nicht mehr in der Lage, die notwendige Wärmeableitung zu gewährleisten. Sie sind darüber hinaus zu voluminös und zu unförmig für Systeme, in denen enge Platzverhältnisse herrschen.

Nun haben sich Strukturen, die in der Natur vorkommen, bei der Maximierung der verfügbaren Oberfläche als höchst erfolgreich erwiesen, so dass biochemische Prozesse mit hohem Wirkungsgrad ablaufen können. Offenporige Metallschäume, die in ihrem Aufbau natürlichen Strukturen wie Knochengewebe oder Korallen ähneln, besitzen das Potenzial, die Wärmemanagement-Leistungsfähigkeit maßgeblich zu verbessern. Derartige offenporige Metallschäume werden seit etwa 20 Jahren hergestellt. Allerdings bestand das Problem bislang darin, diese Metallschäume kostengünstig herzustellen.

Fortschritte bei offenporigen Metallschäumen mit LCS

In jüngster Zeit konnte mit dem Aufkommen des LCS-Prozesses (Lost Carbonate Sintering) bei offenporigen Metallschäumen ein spürbarer Fortschritt verzeichnet werden. Das Verfahren wurde an der Universität Liverpool entwickelt und ermöglicht die Herstellung eines Sinterwerkstoffes auf Kupferbasis, der eine homogene Verteilung von offenporigen Zellen mit Größen im Bereich von 400 bis 700 µm aufweist.

Der Prozess besteht aus vier Stufen. Zunächst werden Kupfer- und Kaliumkarbonat-Pulver miteinander vermischt (Bild 1). Die Menge und die Größe der verwendeten Pulverpartikel wirken sich unmittelbar auf den Porendurchmesser und die Porendichte des hergestellten Sinterwerkstoffs aus. Im nächsten Schritt wird die Mischung unter Druck (ca. 200 MPa) in konturnahen Formen verdichtet (Bild 2). Anschließend wird die Mischung gesintert, d.h. in einem Vakuum Temperaturen von knapp 1000 °C ausgesetzt (Bild 3) und auf Raumtemperatur abgekühlt.

Sintern bei Temperaturen von rund 1000 °C

Der Schmelzpunkt von Kaliumkarbonat (K2CO3) liegt bei 891 °C, der von Kupfer bei 1083,4 °C. Das Erhitzen auf knapp 1000 °C bewirkt, dass sich K2CO3 zersetzt und die Kupferpartikel in der Mischung ohne zu schmelzen aneinander haften. Da sich das K2CO3 vollständig zersetzt, entsteht ein reiner, formstabiler Kupfer-Metallschaum, der kaum schrumpft. Zum Schluss werden Maßnahmen zur Qualitätssicherung und zur anwendungsspezifischen Anpassung durchgeführt (Bild 4).

Kupferschaum mit optimierter Morphologie

Der bei Einsatz dieses Prozesses entstehende Kupferschaum zeichnet sich durch eine optimierte Morphologie aus, die für die Wärmeübertragung besonders effektiv und gleichzeitig preisgünstig herstellbar ist. Seine offenporigen Zellen vergrößern die innere Oberfläche; darüber hinaus kann der Metallschaum von einer Flüssigkeit durchströmt werden, die die entstehende Wärme abführt.

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Metallschäume für das Wärmemanagement

In Zusammenarbeit mit Versarien wurde der an der Universität Liverpool entwickelte Prozess jetzt in ein Verfahren überführt, mit dem sich ein thermisches Interface wirtschaftlich herstellen lässt und auch in industriellem Maßstab gefertigt werden kann – das Kupferschaum-Wärmeleitmaterial mit dem Handelsnamen VersarienCu.

Offenporiger Metallschaum in großen Mengen herstellbar

Mit dem LCS-Prozesses kann das Unternehmen jetzt einen offenporigen Metallschaum in großen Mengen ausliefern. Dieses alternative Wärmeleitmaterial lässt sich in ein großes Spektrum von Anwendungen implementieren, darunter unter anderem in Rechenzentren oder Serverfarmen, in der Kraftfahrzeugelektronik, bei Spieleapplikationen, Computern und LED-Beleuchtung.

Die Wärmeableitung des mit dem LCS-Verfahren hergestellten Metallschaums ist bis zu zehnmal effektiver als herkömmliche Mikrokanal-Kühlkörper vergleichbarer Größe. Damit lassen sich Größe und Gewicht der Kühlkörper beträchtlich verringern. Erreichbar ist ein Wärmedurchgangskoeffizient bis zu 200 kW/m2K.

VersarienCu wird aus zu 99,7% reinem, gasverdüstem Kupferpulver mit einer nominalen Partikelgröße von 50 μm hergestellt. Seine Poren-Morphologie lässt sich auf die Anforderungen spezifischer Applikationen abstimmen. Angeboten werden Porendurchmesser zwischen 20 µm und 1,5 mm. Auch der Porositätsgrad des Materials lässt sich entsprechend des Bedarfs zwischen 50 bis zu 80% einstellen.

Porengrößen und Porositätsgrad je nach Anwendung

Kleinere Porengrößen erhöhen die Wärmeleitung; das bedingt jedoch eine stärkere Pumpe, um Flüssigkeit durch den Metallschaum-Kühlkörper zu bewegen. Aus diesem Grund haben Anwender die Möglichkeit, einen Kompromiss zwischen dem Wärmewirkungsgrad und den Gesamtkosten des Systems zu schließen und so ihre Lösung je nach Bedarf in Richtung Betriebsleistung oder Kosten zu optimieren: Wenn größere Poren eine ausreichende Wärmeableitung gewährleisten, kann die Materialliste niedrig gehalten werden, und umgekehrt.

Hocheffiziente thermische Interface-Lösungen gesucht

Wärmemanagement-Lösungen, die die Wärmeübertragung verbessern und gleichzeitig kostengünstig sind, werden in den kommenden Jahren die Entwicklungen der Elektronikindustrie maßgeblich beeinflussen. Angesichts der Tatsache, dass die thermische Belastung der Systeme ständig weiter steigt und immer weniger Platz für deren Implementierung zur Verfügung steht, reichen herkömmliche Methoden der Wärmeübertragung zukünftig nicht mehr aus.

Offenporige Metallschäume könnten eine Antwort auf dieses Problem sein und zu den leichtgewichtigen, hoch effizienten und wirtschaftlichen thermischen Interfaces führen, die zunehmend aus verschiedenen Industriebereichen nachgefragt werden.

* Will Battrick arbeitet als Technischer Direktor bei Versarien in Gloucestershire, UK.

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das geht analog zu Kühlkörpern, also kleben, schrauben  lesen
posted am 04.04.2013 um 17:20 von Unregistriert

Das Kaliumkarbonat (K2CO3) zersetzt sich in 2K(+) + Co3(2-). K (Kalium) verbrennt dabei. Es dürfte...  lesen
posted am 04.04.2013 um 17:16 von Unregistriert

Was bleibt denn von dem Kaliumkarbonat übrig? Nach Abspaltung des Kohlendioxids wird es doch noch...  lesen
posted am 02.04.2013 um 12:47 von Unregistriert

@Benjamin: Weil der Schaum mit Flüssigkeit durchströmt wird ;) Mich würde interessieren, wie der...  lesen
posted am 02.04.2013 um 11:26 von Unregistriert

Sehr interessant, aber warum ist die Wärmeleitfähigkeit von dieses Kupferschaum 10 x grösser als...  lesen
posted am 28.03.2013 um 20:03 von Unregistriert


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