Anwendungen von wärmeleitendem PPS in LEDs

Wärmeleitfähiges PPS ist ein technischer Kunststoff auf Basis von Polyphenylensulfid, der durch Zugabe wärmeleitfähiger Füllstoffe modifiziert wurde. Es vereint hohe Wärmeleitfähigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt typischerweise zwischen 1 und 10 W/m·K und es hält langfristigen Betriebstemperaturen von bis zu 240 °C stand.

Wichtige Eigenschaften und Parameter

Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit von Standard-PPS beträgt etwa 0,2 W/m·K. Durch die Modifizierung mit Füllstoffen wie Bornitrid und Aluminiumoxid wird dieser Wert deutlich gesteigert. Herkömmliches wärmeleitendes PPS erreicht 1–10 W/m·K, während bestimmte anisotrope Materialien eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 18 W/m·K innerhalb der Materialschichten erreichen können.

‌Temperaturbeständigkeit und mechanische Eigenschaften‌: Die Wärmeformbeständigkeit beträgt ca. 260 °C, mit einem Schmelzpunkt von 280 °C. Es kann langfristig im Bereich von -40 °C bis 240 °C eingesetzt werden und behält dabei eine hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit und chemische Beständigkeit bei.‌‌

‌Weitere Hauptmerkmale‌:

„Elektrische Isolierung“: Reines wärmeleitendes PPS bleibt elektrisch isolierend; Um eine elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, müssen leitfähige Füllstoffe (z. B. Kohlefasern oder Metallpulver) hinzugefügt werden.‌‌

„Flammhemmung“: Die meisten Produkte erfüllen die Flammhemmungsnorm UL94-V0 und sind daher für elektronische und elektrische Sicherheitsanforderungen geeignet.‌

„Leichtgewicht“: Mit einer um 40–50 % geringeren Dichte als Aluminium trägt es dazu bei, das Gewicht der Komponenten zu reduzieren und die Auswirkungen von Vibrationen zu minimieren.

Schlüsselanwendungen

„Elektronik und Elektrogeräte“: LED-Kühlkörper, Transformatorkerne, Steckverbinder, Wärmeableitungskomponenten für 5G-Basisstationen und Smartphone-Gehäuse zur Bewältigung der Wärmeableitungsprobleme in Hochleistungsgeräten.‌

Automobilindustrie: Batteriegehäuse für Fahrzeuge mit neuer Energie, Motorgehäuse und Kühlsysteme für Hochtemperaturkomponenten, die Metall ersetzen, um eine Gewichtsreduzierung und eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz zu erreichen.

Weitere High-End-Anwendungen:

Luft- und Raumfahrt: Hochtemperaturbeständige, hochfeste Komponenten, die für extreme Betriebsbedingungen ausgelegt sind.

Industrieausrüstung: Wärmetauscher, Heizkörper und Gehäuse für medizinische Geräte und Instrumente, die ihre gleichmäßigen Wärmeableitungseigenschaften nutzen, um lokale Überhitzung zu verhindern.

Gemeinsame Marken und Auswahlkriterien

„Führende internationale Marken“: Sabic (LNP™ KONDUIT-Serie), Celanese (FOTRON-Serie), Solvay (Ryton®-Serie), Idemitsu (Japan), Toray (Japan) und andere bieten eine Vielzahl wärmeleitender PPS-Typen an.

Wichtige Überlegungen zur Auswahl:

Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Isolierung: Bestimmen Sie, ob reine Wärmeleitfähigkeit (Aufrechterhaltung der Isolierung) oder thermisch und elektrisch leitende Eigenschaften erforderlich sind. Der Volumenwiderstand kann auf 10³–10⁶ Ω·cm eingestellt werden.

‌Verstärkende Füllstoffe‌: Glasfaser- oder Mineralverstärkungen können die mechanische Festigkeit verbessern, es muss jedoch ein Gleichgewicht zwischen Wärmeleitfähigkeit und Verarbeitungsfließfähigkeit gefunden werden.‌

‌Zertifizierungsstandards‌: Bestätigen Sie die Flammschutzklasse (z. B. UL94-V0), den Temperaturbeständigkeitsbereich und die Umweltkonformität (halogenfrei).‌

Wärmeleitfähiges PPS verfügt nicht nur über die inhärenten Eigenschaften von PPS – wie hohe Festigkeit, Hitzebeständigkeit und chemische Beständigkeit –, sondern verfügt durch spezielle Formulierungen und Verarbeitungstechniken auch über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, wodurch es bei Anwendungen, die eine Wärmeableitung erfordern, eine außergewöhnlich gute Leistung erbringt.

Aus technischer Sicht ergibt sich die Wärmeleitfähigkeit von wärmeleitendem PPS vor allem aus der einzigartigen Anordnung seiner Molekülstruktur und dem Einbau von Additiven. PPS-Molekülketten sind äußerst steif und weisen starke intermolekulare Kräfte auf, die für hervorragende mechanische Eigenschaften und thermische Stabilität sorgen. Durch die Zugabe wärmeleitender Füllstoffe – wie Kohlefasern, Graphit und Metallpulver – kann die Wärmeleitfähigkeit von PPS deutlich verbessert werden. Dadurch kann die Wärme schnell von der Wärmequelle auf Kühlkörper oder andere Wärmeableitungskomponenten übertragen werden, wodurch die Betriebstemperatur der Geräte effektiv gesenkt und deren Stabilität und Lebensdauer verbessert werden.

Wärmeleitendes PPS hat ein breites Anwendungsspektrum. In der Elektronik- und Elektroindustrie wird es häufig zur Herstellung von Komponenten wie Kühlkörpern, LED-Lampenfassungen und Leiterplattenhalterungen verwendet, um die Stabilität und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte über längere Zeiträume mit hohem Lastbetrieb sicherzustellen. In der Automobilindustrie wird wärmeleitendes PPS aufgrund seiner Hochtemperaturbeständigkeit und chemischen Korrosionsbeständigkeit häufig in kritischen Komponenten wie Motorteilen, Batteriegehäusen und Motorgehäusen eingesetzt und bietet so eine starke Garantie für den sicheren Betrieb von Fahrzeugen. Darüber hinaus spielt wärmeleitendes PPS eine bedeutende Rolle in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte und chemische Ausrüstung.

Hinsichtlich der Industriestandards müssen bei der Herstellung und Prüfung von wärmeleitendem PPS eine Reihe strenger Standards und Spezifikationen eingehalten werden. Diese Standards definieren nicht nur Metriken wie physikalische, chemische und mechanische Eigenschaften, sondern legen auch detaillierte Anforderungen für Schlüsseleigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, thermische Stabilität und Wetterbeständigkeit fest. Daher müssen Benutzer bei der Auswahl von wärmeleitendem PPS die Einhaltung relevanter Industriestandards überprüfen, um Produktqualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Es ist erwähnenswert, dass die Leistung von wärmeleitendem PPS nicht statisch ist; Schlüsselindikatoren wie Wärmeleitfähigkeit und Wärmeformbeständigkeit werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter der Art und Menge der Zusatzstoffe sowie Verarbeitungstechniken. Folglich müssen Anwender in praktischen Anwendungen das geeignete wärmeleitende PPS-Produkt auf der Grundlage spezifischer Anforderungen auswählen und die Verarbeitungstechniken optimieren, um dessen Leistungsvorteile voll auszuschöpfen.

Darüber hinaus schreiten mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt und der rasanten industriellen Entwicklung auch die Forschung, Entwicklung und Anwendung von wärmeleitendem PPS stetig voran. Wir können davon ausgehen, dass wärmeleitfähiges PPS in Zukunft seine einzigartige Attraktivität und seinen Wert in immer mehr Bereichen unter Beweis stellen und einen noch größeren Beitrag zum technologischen Fortschritt und zur gesellschaftlichen Entwicklung leisten wird.

Anwendungen von wärmeleitendem PPS in LED-Halterungen: PPS (Polyphenylensulfid) bietet bei der Verarbeitung zu wärmeleitendem Kunststoff eine hohe Maßhaltigkeit und hervorragende Witterungsbeständigkeit und eignet sich daher für Hochleistungs-LED-Halterungen im Außenbereich (mit integrierter Wärmeableitung).

PPS ist mit einer Dauerbetriebstemperatur von 220 °C und einer Kurzzeitbetriebstemperatur von 260 °C sehr hitzebeständig und schmilzt, quillt nicht und verformt sich nicht. Es ist von Natur aus schwer entflammbar (V0-Bewertung bei 0,8 mm); formstabil mit einer Wasseraufnahmerate von <0,02 %; verformt sich nicht durch Feuchtigkeitsaufnahme bei hoher Luftfeuchtigkeit; und bietet hervorragende Dichtungseigenschaften.

Wärmeleitfähiges PPS hat eine Wärmeleitfähigkeit von 1,5–15 W/(m·K) und eine Dichte von 1,8 g/cm³ und ist damit 40–50 % leichter als Aluminium; sein elektrischer Widerstand übersteigt 10¹² Ω·cm. Bei wärmeleitenden und isolierenden Typen werden Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid und Magnesiumoxid hinzugefügt, was zu einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5–5 W/(m·K) führt. Diese werden in LED-Halterungen und Lampenbechern verwendet.

Bei wärmeleitfähigen und elektrisch leitfähigen Typen werden Kohlenstofffasern, Graphit und Kohlenstoffnanoröhren hinzugefügt, was zu einer Wärmeleitfähigkeit von 5–25 W/(m·K) führt. Diese dienen der EMI-Abschirmung.

PPS mit mineralischen Füllstoffen, verwendet für LED-Lampengehäuse und Kühlkörper (LG LUCON PN9051) PPS mit Glasfaser/Kohlenstoff-Nanoröhrchen, verwendet für LEDs und Kühlkörper (RTP 1399X) Toray PPS A400M, mit einem CTI von 650 V und einem GWIT von 960 °C, kann für LED-Treibergehäuse und wärmeableitende Substrate verwendet werden, ersetzt Aluminium-Kühlkörper und reduziert das Gewicht um 50 %.

PPS mit weißen wärmeleitenden Füllstoffen (Aluminiumoxid, Calciumsulfat-Whisker) erfordert eine Oberflächenbehandlung, um die Dispersion zu fördern. Füllstoffanteile >30 % verringern die Fließfähigkeit. Die Oberflächenbehandlung mit Silan-Haftvermittlern erhöht die Grenzflächenbindung zwischen PPS und Füllstoffen. Allerdings verringern Füllstoffe die Zähigkeit.

Abschließend ist zu beachten, dass PPS im Vergleich zu PA10T und PCT eine schlechtere langfristige Vergilbungsbeständigkeit aufweist. Dies ist auf die Oxidation von Schwefelatomen unter UV-Strahlung zurückzuführen, wodurch Chromophore entstehen; Durch intermolekulare Vernetzungs- und Konjugationseffekte absorbiert das Material sichtbares Licht und verdunkelt sich.