Woraus besteht Wärmeleitpaste?

Wärmeleitpaste, Wärmeleitfett und Thermal Interface Material (TIM) bezeichnen die gleiche technische Materialklasse – in diesem Artikel werden alle drei Begriffe synonym verwendet.

Um die Zusammensetzung von Wärmeleitpaste zu verstehen, müssen zwei voneinander abhängige Systeme untersucht werden: die Füllstoffphase, die die Wärmeleitfähigkeit bestimmt, und die Trägermatrix, die die langfristige mechanische und chemische Stabilität gewährleistet. Vereinfacht gesagt besteht Wärmeleitpaste aus wärmeleitenden Füllstoffpartikeln, die in einer Trägermatrix suspendiert sind. Füllstoffart, Partikelgröße und Füllstoffkonzentration bestimmen gemeinsam die Leitfähigkeit, die elektrische Sicherheit und die Lebensdauer.

Die in diesem Artikel angegebenen Wärmeleitfähigkeitswerte für die einzelnen Füllstoffe sind Referenzwerte für polykristallines Material unter Standardbedingungen bei Raumtemperatur. Die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit der gesamten Formulierung hängt von der Füllstoffkonzentration, der Partikelgrößenverteilung und dem Grenzflächenwiderstand der Matrix ab. Für die endgültige Leistungsfähigkeit sind Messdaten der gesamten Formulierung erforderlich. ASTM D5470 oder gleichwertig. Für regulierte Anwendungen, einschließlich Medizinprodukte und Energiespeichersysteme für Elektrofahrzeuge, fordern Sie bitte vollständige Prüfberichte von Ihrem Lieferanten an, die den geltenden Branchenstandard abdecken.

Dieser Artikel gilt nicht für Phasenwechselmaterialien, wärmeleitende Klebstoffe oder Graphitfolien-TIMs – diese Materialklassen beinhalten eine eigene Chemie und Auswahlkriterien, die außerhalb des Geltungsbereichs dieses Artikels liegen.

Warum die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste allein nicht ausreicht

Die Wärmeleitfähigkeit einer TIM-Formulierung variiert je nach Füllstoffart, Füllstoffkonzentration und Anwendungsumgebung – die alleinige Maximierung der W/m·K-Werte führt in den meisten Anwendungsfällen zu einem suboptimalen Ergebnis. Diese Unterscheidung berücksichtigen wir konsequent in unserer Formulierungsentwicklung, da einachsige Optimierungen bei der Validierung realer Anwendungen regelmäßig scheitern.

Drei Leistungsachsen bestimmen jede Formulierungsentscheidung:

• Wärmeleitfähigkeit (W/m·K): Wie effizient die Wärmeübertragung durch das Material erfolgt.
• Durchschlagsfestigkeit (kV/mm): Ob die ausgehärtete oder ungehärtete Paste unter Betriebsspannung elektrischer Leckage widersteht.
• Pumpwiderstand: Ob die Paste ihre Spaltfüllungsintegrität während thermischer Zyklen beibehält, ohne aus der Grenzfläche herauszuwandern.

Diese drei Achsen stehen im Widerspruch zueinander. Metallische Füllstoffe maximieren die Leitfähigkeit, beeinträchtigen aber die Durchschlagsfestigkeit. Ein hoher Füllstoffgehalt erhöht zwar die Leitfähigkeit, steigert aber die Viskosität und verschlechtert den Pumpwiderstand bei zyklischer Belastung. Das Verständnis dieses Drei-Achsen-Zusammenhangs ist Voraussetzung für das Verständnis aller folgenden Abschnitte.

Füllstoffe und ihre Leitfähigkeits-Kompromisse

Füllstoffe in einer TIM-Formulierung bestimmen die Wärmeleitfähigkeit, das elektrische Verhalten und die Partikelmorphologie – jede Füllstoffkategorie erfordert spezifische technische Kompromisse, die durch keine Modifizierung des Trägermaterials vollständig kompensiert werden können. Drei Kategorien decken den gesamten Designraum ab – metallische, keramische und kohlenstoffbasierte –, wobei jede einen eigenen Satz von Eigenschaften repräsentiert. Arten von Wärmeleitpasten mit eigener Leitfähigkeitsgrenze, eigenem elektrischen Verhalten und eigenen Kompatibilitätsbeschränkungen für Ladungsträger.

Wann man metallische Füllstoffe wählen sollte

Metallische Füllstoffe bieten die höchsten Wärmeleitfähigkeitswerte aller verfügbaren Füllstoffkategorien. Silber besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 Watt pro Meter und Kelvin bei Raumtemperatur und ist damit der leistungsstärkste verfügbare metallische Füllstoff (420 W/m·K, polykristallin, Raumtemperatur). Kupfer (Cu) erreicht unter denselben Bedingungen etwa 400 W/m·K, Aluminium (Al) etwa 237 W/m·K. Aufgrund dieser Werte sind metallische Füllstoffe die bevorzugte Wahl, wenn die Wärmeleistung die wichtigste Anforderung darstellt und die elektrische Belastung durch die Konstruktion kontrolliert wird.

Der Zielkonflikt ist offensichtlich. Metallische Füllstoffe sind elektrisch leitfähig. Eine Wärmeleitpaste (TIM) mit Silber- oder Kupferfüllstoff weist eine elektrische Leitfähigkeit auf, die proportional zur Partikelbeladung und Netzwerkperkolation ist. Bei Gehäusen mit freiliegenden Kontaktflächen, Bare-Die-Designs oder jeder Konfiguration, bei der die Pastenmigration eine spannungsführende Oberfläche erreicht, bergen metallische TIMs ein Leckstromrisiko. Dieses Risiko ist nicht unerheblich – es stellt in den meisten Leistungselektronik-Designs ein Ausschlusskriterium dar, sofern die Grenzflächengeometrie nicht vollständig umschlossen und verifiziert ist. Das Leckstromrisiko sollte in Bezug auf die Anwendungsspannung bewertet werden – für Systeme über 48 V DC ist typischerweise ein spezifischer Volumenwiderstand von mindestens 1 GΩ·cm erforderlich – und gemäß der geltenden Norm für die Montagequalifizierung verifiziert werden, anstatt es allein aus den Daten des Basismaterials abzuleiten.

Aluminiumgefüllte Pasten nehmen eine Zwischenstellung ein. Die Leitfähigkeit von Aluminium ist geringer als die von Silber oder Kupfer. Während der Verarbeitung bildet sich auf den Partikeloberflächen auf natürliche Weise Aluminiumoxid, was die elektrische Leitfähigkeit der Paste teilweise reduziert. Diese Oxidschicht ist jedoch prozessabhängig und stellt keine garantierte Isolationsbarriere dar. Daher sollten aluminiumgefüllte Wärmeleitpasten nicht standardmäßig als elektrisch sicher betrachtet werden.

Keramische Füllstoffe zur Isolation

Keramische Füllstoffe bieten eine signifikante Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit intrinsischer elektrischer Isolation. Diese Kombination macht keramikgefüllte Wärmeleitmaterialien zur ersten Wahl in der Leistungselektronik, in Batteriemodulen für Elektrofahrzeuge und überall dort, wo dielektrische Festigkeit eine Spezifikationsanforderung ist. Diese Füllstoffe bilden auch die Grundlage der meisten silikonfreie Wärmeleitlösungen, die zunehmend Keramiksysteme spezifizieren, um sowohl Silikonverunreinigungen als auch das Risiko elektrischer Isolation gleichzeitig zu eliminieren.

Drei Keramikfüllstoffe decken die meisten Konstruktionsszenarien ab:

*Die angegebenen intrinsischen Werte sind Standardreferenzwerte für polykristallines Material bei Raumtemperatur. Die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit der Formulierung hängt von der Füllstoffkonzentration, der Partikelgrößenverteilung und dem Grenzflächenwiderstand der Matrix ab und muss durch eine Prüfung der vollständigen Formulierung gemäß ASTM D5470 oder einer gleichwertigen Norm bestätigt werden. Die Wärmeleitfähigkeit der Formulierung ist bei allen praxisrelevanten Füllstoffkonzentrationen deutlich geringer als die intrinsischen Werte des Füllstoffs.

Aluminiumoxid ist aufgrund seiner geringen Kosten und zuverlässigen dielektrischen Eigenschaften der am häufigsten verwendete keramische Füllstoff. Zinkoxid bietet eine vergleichbare elektrische Isolation bei leicht abweichender Morphologie und eignet sich daher für Formulierungen, die ein spezifisches rheologisches Verhalten erfordern. Bornitrid zeichnet sich durch seine besondere Struktur aus: Seine Plättchenmorphologie ermöglicht eine deutlich höhere axiale Wärmeleitfähigkeit als gleichachsige Keramiken bei gleicher Beladung. Die Plättchengeometrie erlaubt zudem eine höhere Packungsdichte in multimodalen Verteilungen, was ein Vorteil für Formulierungen ist, wenn die angestrebten Leitfähigkeitswerte die von Al₂O₃ oder ZnO ohne übermäßige Beladung erzielbaren Werte übersteigen.

Kohlenstoffbasierte Füllstoffe und thermische Anisotropie

Wenn die Wärmeflussrichtung durch die Geometrie der Anordnung kontrolliert werden kann, bieten kohlenstoffbasierte Füllstoffe Wärmeleitwege, die mit gleichachsigen Keramiken nicht erreichbar sind – Graphit, CNTs und Graphenplättchen leiten Wärme effizient entlang ihrer Basal- oder axialen Richtung, während sie senkrecht dazu schlechte Leiter bleiben.

Einzelne CNTs weisen unter idealisierten Messbedingungen für einzelne Nanoröhren theoretische axiale Wärmeleitfähigkeitswerte von über 3000 W/m·K auf. In Bulk-Formulierungen ist die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit aufgrund des Grenzflächenwiderstands zwischen Röhren und Matrix, der zufälligen Orientierungsverteilung und Agglomerationsdefekten deutlich geringer – die berichteten Werte für Bulk-Formulierungen liegen typischerweise im Bereich von einigen zehn bis wenigen hundert W/m·K, abhängig von der Qualität, der Beladung und der Ausrichtung der CNTs. Graphenplättchen weisen eine ähnliche Anisotropie auf.

Diese Anisotropie hat zwei Konsequenzen. Erstens bestimmt die Orientierungskontrolle beim Auftragen und Aushärten, ob die Achse hoher Leitfähigkeit mit der Wärmetransportrichtung übereinstimmt. Zweitens weisen kohlenstoffbasierte Füllstoffe bei ausreichender Beladung eine messbare elektrische Leitfähigkeit auf, insbesondere entlang der Achse hoher Leitfähigkeit. Diese Füllstoffe eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen ein gerichtetes Wärmemanagement in die Baugruppe integriert ist und die elektrische Isolation strukturell und nicht durch das Wärmeleitmaterial selbst gewährleistet wird. Anwendungen in neuen Leistungsmodulen und hochdichter Elektronik zeigen, dass kohlenstoffbasierte Wärmeleitmaterialien mit größter Sorgfalt eingesetzt werden.

Die Art des verwendeten Füllstoffs bestimmt die thermische Obergrenze einer Formulierung – ob diese Obergrenze jedoch auch nach fünf Jahren thermischer Belastung noch gilt, entscheidet die Trägermatrix.

Trägermatrixsysteme und Langzeitstabilität

Die Langzeitzuverlässigkeit eines jeden TIM-Programms hängt stärker von der Wahl des Trägers als von der des Füllstoffs allein ab – die Matrix bestimmt die Ölbeständigkeit, die Dosierbarkeit und die maximale Betriebstemperatur, die darüber entscheidet, ob eine Formulierung die Spezifikationen über eine zehnjährige Batterielebensdauer einhält. Die Wahl des Füllstoffs kann einen Träger, der sich unter den thermischen Belastungen der Anwendung zersetzt, nicht kompensieren.

Silikonölbasis und seine thermischen Grenzen

Silikonöl-Träger sind aufgrund ihrer Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, ihrer Oxidationsstabilität bis ca. 150–200 °C (abhängig vom Molekulargewicht des Polydimethylsiloxans und den Formulierungszusätzen – zur Bestätigung der spezifischen oberen Temperaturgrenze für jede Formulierung sollten TGA-Daten des Herstellers angefordert werden) und ihrer Kompatibilität mit einer Vielzahl von Füllstoffen die am häufigsten verwendeten TIM-Basen. Polydimethylsiloxan (PDMS) und seine funktionellen Derivate sind die Standard-Silikonbasisflüssigkeiten.

Zwei Risiken sind prozessrelevant. Erstens: Ölaustritt – die Migration niedermolekularer Silikonfraktionen aus dem Füllstoffnetzwerk unter thermischer Belastung oder dauerhaft erhöhter Temperatur. Ölaustritt führt zu Silikonablagerungen auf angrenzenden Oberflächen, was Haftungsfehler bei nachfolgenden Klebevorgängen verursacht und optische Komponenten oder elektrische Kontakte verunreinigen kann. Zweitens: Silikondampf – bei Temperaturen nahe der oberen Stabilitätsgrenze können sich flüchtige Silikonverbindungen auf Steckverbinderkontakten und Relaisoberflächen ablagern. In der Automobil- und Luftfahrtindustrie ist Silikonkontamination ein kontrollierbares Risiko, das Qualifizierungstests erfordert, und keine rein theoretische Sorge.

Nicht-Silikon- und Kohlenwasserstoffträger

Wo Silikondämpfe ein Ausschlusskriterium und nicht nur eine theoretische Problematik darstellen, bieten synthetische Kohlenwasserstoffträger – PAO, PIB und andere silikonfreie Basen – die stabile Alternative mit niedrigem Dampfdruck, die in der Automobil- und Optikindustrie benötigt wird. Diese Träger werden in Anwendungen spezifiziert, in denen flüchtige Silikonbestandteile ein Ausschlusskriterium sind: bestimmte Steuergeräte in der Automobilindustrie, Festplattenumgebungen und optische Systeme.

PAO-Träger bieten insbesondere eine gute thermische Stabilität, einen niedrigen Dampfdruck und Kompatibilität mit Hochtemperatur-Füllsystemen. Der Nachteil ist ein geringerer Formulierungsspielraum. Nicht-Silikon-Basen weisen oft höhere Viskositätswerte und ein eingeschränkteres Fließverhalten bei niedrigen Temperaturen als Silikon-Pendants auf. Für Anwendungen in EV-Batteriepacks mit langen Wartungsintervallen und Betriebstemperaturen unter 0 °C muss die Trägerwahl anhand des gesamten Temperaturprofils – nicht nur der oberen Grenze – validiert werden. Wir spezifizieren Nicht-Silikon-Basen für TIM-Programme im Automobilbereich, bei denen eine Kontamination durch Silikondämpfe durch die OEM-Anforderung ausdrücklich ausgeschlossen ist.

Die Wahl des Trägermaterials legt die Stabilitätsgrenze fest; die darauf folgenden Formulierungsparameter – Partikelgröße, Beladungskonzentration und Größenverteilung – bestimmen, wie viel des thermischen Potenzials des Füllstoffs tatsächlich in die gemessene Wärmeleitfähigkeit des Materials umgesetzt wird.

Partikelgröße, Beladung und multimodale Sieblinie

Drei steuerbare Parameter – Partikelgröße, Volumenbeladung und Korngrößenverteilung – setzen die Leistungsgrenze jeder TIM-Formulierung, und keine einzelne Variable kann isoliert angepasst werden, ohne die beiden anderen zu verändern.

Partikelgröße Die Packungsgeometrie und die Kontaktfläche an der Grenzfläche werden bestimmt. Kleinere Partikel (Submikrometerbereich) maximieren den Oberflächenkontakt, erhöhen aber bei gleicher Beladung die Viskosität stark. Größere Partikel (5–20 µm) ermöglichen eine höhere Beladung bei niedrigerer Viskosität, verringern jedoch die Packungsgleichmäßigkeit in dünnen Klebefugen.

Volumenbeladungskonzentration Die Leitfähigkeit steigt bis zu einem Schwellenwert. Unterhalb der Perkolationsschwelle – der Konzentration, bei der die Füllstoffpartikel ein durchgehendes Wärmenetzwerk bilden – skaliert die Leitfähigkeit nur schwach mit der Füllstoffmenge. Bei typischen keramischen Füllstoffsystemen liegt dieser Schwellenwert im Bereich von etwa 35–45 Vol.-%. Oberhalb dieser Konzentration steigt die Leitfähigkeit steiler an und erreicht dann ein Plateau, da der Grenzflächenwiderstand der Matrix weitere Steigerungen begrenzt. Die praktische Beladung wird zusätzlich durch die Viskosität eingeschränkt: Ab etwa zwei Dritteln der Formulierung (ca. 65–70 Vol.-% in den meisten keramischen Formulierungen) steigt die Viskosität so stark an, dass eine verarbeitungsfreundliche Dosierung nicht mehr möglich ist.

Multimodale Partikelgrößenklassifizierung Der Konflikt zwischen Beladung und Viskosität wird dadurch gelöst. Durch das Mischen von zwei oder drei unterschiedlichen Partikelgrößenfraktionen – typischerweise einer groben Fraktion im Bereich von 10–20 µm mit einer feinen Fraktion im Bereich von 1–2 µm – können kleinere Partikel die Zwischenräume zwischen größeren Partikeln ausfüllen. Dies erhöht die Packungsdichte, ohne die Viskosität proportional anzusteigen. Genau durch multimodale Gradientenbildung erreichen Formulierungen mit hoher Leitfähigkeit (über 6–8 W/m·K) eine für die Dosierung geeignete Viskosität. Wie gut sich diese Parameter auf die Praxisleistung übertragen lassen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Methoden zum Auftragen von Wärmeleitpaste und die Kontrolle der Klebefuge ebenso wichtig wie die Wahl der Rezeptur.

Diese Parameter interagieren miteinander, und der Designraum erfordert eine iterative Validierung gemäß ASTM D5470 für die Massenleitfähigkeit und rheologische Tests zur Prozesskompatibilität.

Dieser Validierungsrahmen dient als Entscheidungsfilter für die nachfolgende Logik zur Auswahl des Anwendungssektors.

TIM-Auswahl nach Anwendungsbereich

Die Auswahl des TIM für den jeweiligen Anwendungsbereich variiert je nach Temperaturbereich, Anforderungen an die elektrische Isolation und Einschränkungen des Dosierprozesses – die Übertragung des Füllstoff-Matrix-Rahmens in einen praktikablen Entscheidungspfad erfordert die Abstimmung dieser drei Variablen auf den verfügbaren Formulierungsraum.

†Die angegebenen Temperaturbereiche sind repräsentative industrielle Referenzwerte für die genannten Anwendungsbereiche. Die tatsächlichen Betriebsgrenzen müssen anhand der Spezifikationen des Originalherstellers (OEM) zum Wärmemanagement und der geltenden Qualifizierungsnorm bestätigt werden. AEC-Q200 für Automobilkomponenten oder die entsprechende IEC- oder UL-Norm für die Endverwendungsklassifizierung.

Für Akkupacks von Elektrofahrzeugen ist eine elektrische Isolation zwischen den Zellen bzw. zwischen Zellen und Kühlplatten erforderlich, wodurch metallische Füllstoffe in den meisten Bereichen vermieden werden. Da die Temperaturwechselbelastung hoch ist, sind die Pumpbeständigkeit und das Ölaustrittsverhalten über einen Zeitraum von mehr als 10 Jahren ausschlaggebend für die Wahl des Trägermaterials. Wir validieren Wärmeleitpasten für Elektrofahrzeugbatterien anhand von Temperaturwechseltests mit mehreren tausend Zyklen, bevor wir sie in die Produktion freigeben.

Anwendungen für Leistungsmodule – insbesondere SiC- und IGBT-Module, die bei Temperaturen über 150 °C betrieben werden – erfordern sowohl eine hohe Leitfähigkeit als auch eine hohe Durchschlagsfestigkeit. BN-dominante Keramikformulierungen in hochstabilen Trägermaterialien erfüllen diese Anforderungen. Aufgrund der Vermeidung von Silikonverunreinigungen in der Modulmontage werden silikonfreie Trägermaterialien zunehmend von Automobilherstellern für Wärmeleitmaterialien in Leistungsmodulen spezifiziert.

Industrieelektronik deckt einen breiten Temperaturbereich mit variableren Isolationsanforderungen ab. Metallische Füllstoffe sind weiterhin in geschlossenen Schnittstellengeometrien ohne freiliegende Spannungen geeignet. Keramische Füllstoffe decken alle Isolationsanforderungen ab. Die Trägerauswahl ist weniger eingeschränkt als in der Automobilindustrie, obwohl die Anforderungen an die lange Lebensdauer in der Infrastrukturelektronik zunehmend Formulierungen mit geringerer Durchlässigkeit begünstigen. Für einen strukturierten Rahmen auf Auswahl eines Wärmeleitmaterials In all diesen Sektoren ist die Trägerstabilität unter dem zu erwartenden Temperaturzyklusprofil der erste Filter.

Die am häufigsten in Auswahlprüfungen aufgeworfenen Fragen – zur Sicherheit metallischer Füllstoffe, zu Kompromissen bei keramischen Füllstoffen und zur Langzeitstabilität des Trägers – werden im Folgenden direkt beantwortet.

Schlussfolgerung

In unseren Projekten zur Wärmeableitung von Elektrofahrzeugbatterien und Leistungsmodulen hat sich die einachsige Optimierung – also die Wahl der Option mit der höchsten Leitfähigkeit ohne Validierung der Durchschlagsfestigkeit, des Pumpwiderstands und der Ladungsträgerstabilität im Hinblick auf das tatsächliche Lebensdauerprofil – als häufige Fehlerquelle bei der Auswahl von Wärmeleitmaterialien erwiesen. Die in diesem Artikel beschriebene Materialchemie bietet den Rahmen, um diesen Fehler zu vermeiden und die Datenblätter der Zulieferer mit der für diese Entscheidungen erforderlichen Genauigkeit zu interpretieren.

Wenn Ihre Anwendung eine getestete, spezifikationskonforme Lösung erfordert, unsere Wärmeleitfett Unser Sortiment umfasst silikonbasierte und silikonfreie Formulierungen, die für die Bereiche EV-Batterien und Leistungsmodule validiert wurden. Wir unterstützen Sie gerne bei der Auswahl von Füllstoffen und Trägermaterialien für Ihr spezifisches Temperaturwechselprofil und Ihre Isolationsanforderungen – kontaktieren Sie uns, um Ihr Projekt zu besprechen.

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