Interview: Perfekte Dosierung von Wärmeleitmaterialien - Wacker Chemie AG


Interview: Perfekte Dosierung von Wärmeleitmaterialien

Welche Vorteile bieten die Wärmeleitmaterialien von WACKER? Welcher Zusammenhang besteht zwischen Abrasivität und Funktion? Und welche Herausforderungen ergeben sich durch diese Materialien für die Dosiertechnik? Dr. Markus Jandke, Technical Manager Electronics bei WACKER, kennt die Antworten auf diese Fragen.

Dr. Markus Jandke, Technical Manager Electronics bei der WACKER Chemie AG

Wärmeleitmaterialien von WACKER werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Aus welcher Branche kommen die Hauptabnehmer?

WACKER entwickelt und vertreibt wärmeleitfähige Klebstoffe, Gap Filler und Pasten sowie Siliconvergussmassen. Neben anderen Branchen sind für uns Anwendungen in der Automobil- und Elektronikindustrie besonders wichtig. Die Lebensdauer kritischer elektronischer Bauteile hängt entscheidend von einem effizienten Wärmemanagement ab. Mit ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrem niedrigen Wärmewiderstand und ihrer hervorragenden Verarbeitbarkeit erfüllen unsere Produkte der Reihe SEMICOSIL® TC exakt die Anforderungen unserer Kunden.

Wie ist die typische Zusammensetzung der Wärmeleitmaterialien von WACKER? Wie hoch ist zum Beispiel der Feststoffanteil?

Hinsichtlich ihrer chemischen Struktur sind unsere wärmeleitfähigen Silicone in der Regel Dielektrika. Im Allgemeinen enthält die Formulierung Füllstoffe und einen Siliconanteil, dessen Zusammensetzung bestimmte Produkt- und Verarbeitungseigenschaften optimiert. Während bei Pasten in der Regel keine Vernetzung angestrebt wird, müssen Klebstoffe und Gap Filler aushärten. Wärmeleitfähige Klebstoffe bilden unter Wärmezufuhr oder bei Raumtemperatur einen Kraftschluss zwischen den Substraten und stellen so einen engen thermischen Kontakt her. Zum Ausgleich von Toleranzen auf großflächigen Substraten werden Gap Filler als Wärmeleitmaterialien eingesetzt. Der thermische Kontakt wird durch die mechanische Fixierung der Substrate sichergestellt. Gap Filler härten bei Raumtemperatur aus.

Ähnlich wie organische Stoffe zeigen Silicone und Siliconelastomere ohne Füllstoff eine Gesamtwärmeleitfähigkeit von ca. 0,2 W/mK. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit kann nur durch einen entsprechenden Füllgrad erreicht werden (zum Beispiel Oxidpartikel im Größenbereich 1-200 µm), der einen Kontakt zwischen den Füllstoffoberflächen ermöglicht. Unter Berücksichtigung der erwähnten Gesamtwärmeleitfähigkeit wird ein ausreichender Kontakt zwischen den Partikeln nur bei sehr hohen Füllgraden erreicht. Das bezeichnen wir als „Perkolation“.

Welche weiteren Anforderungen werden an Wärmeleitmaterialien gestellt?

Der Stabilisierung der Wechselwirkung zwischen Füllstoff und Matrix kommt eine besondere Bedeutung zu. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und dem unterschiedlichen Verhalten der Substrate, wird der Schnittstellenbereich im Langzeitbetrieb der Bauteile (Lastzyklen, Temperaturveränderungen) auch mechanisch belastet. Dennoch dürfen sich wärmeleitfähige Klebstoffe und Gap Filler nicht abtrennen, rissig werden oder austrocknen, und Wärmeleitpasten dürfen keine Füllstoffe oder Polymere ausschwitzen.

Bei den Wärmeleitmaterialien wird ein minimaler und stabiler Wärmewiderstand angestrebt. Da Wärmeleitmaterialien selbst bei 3-4 W/mK einen Engpass innerhalb der Bauteilanordnung darstellen (die Wärmeleitfähigkeit der Substrate ist wesentlich höher), muss die Wärmeleitschicht so dünn wie möglich sein.

Damit Wärme transportiert werden kann, müssen sich die Füllstoffpartikel berühren. Heute basieren gängige, technisch und wirtschaftlich interessante Füllstoffsysteme beispielsweise auf oxidischen Materialien, die teilweise hohe Härtegrade aufweisen. Da es eine breite Palette verschiedener Partikelgeometrien gibt – von Kügelchen bis zu scharfkantigen Plättchen – sind auch die Abriebeigenschaften unterschiedlich.

Um eine Formulierung mit einer Gesamtwärmeleitfähigkeit über 3 W/mK zu realisieren, müssen unzählige chemische Parameter optimal abgestimmt werden: Form und Größe der Füllstoffpartikel, Typ und Chemie der Oberfläche, molekulares Design und Funktionalität der Siliconpolymere). Gleichzeitig muss die Gesamtwärmeleitfähigkeit die erforderliche Rheologie aufweisen, um eine hohe Dosierleistung sowie eine geringe Abrasivität und Bindekraft zu gewährleisten.

Wo liegen erfahrungsgemäß die Grenzen bei der Dosierbarkeit, wenn Sie an konkrete Anwendungen denken? Warum kann man nicht einfach mehr Füllstoff hinzufügen, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern?

Mehr Wechselwirkung zwischen Füllstoff und Matrix steigert die Viskosität, was sich wiederum negativ auf die Verarbeitbarkeit auswirkt. Bei geringen Füllgraden spielt dies kaum eine Rolle. Wenn jedoch das Material stark wärmeleitfähig ist, sind diese Effekte für die Entnahme aus der Verpackung und der Zufuhr des Dosierkopfes entscheidend. Das wirkt sich auch auf die Leistung der Dosiermaschine (ml/s) und die Bindekraft mechanisch empfindlicher Substrate aus. Gerade wegen dieser Besonderheiten liegt bei Wärmeleitmaterialien das Hauptaugenmerk auf den Verarbeitungseigenschaften. SEMICOSIL® TC ist das Resultat jahrelanger Forschung und Produktentwicklung. Aber nur das Material allein reicht nicht aus.

Denken Sie, dass eine enge Zusammenarbeit mit Herstellern von Dosiermaschinen optimale Lösungen bietet, um Material und Serienfertigung kundengerecht zu kombinieren?

Das ist ein absolutes Muss! Die elektronischen Bauteile unserer Kunden werden in Serienfertigung hergestellt. Dabei besteht eine Wechselwirkung zwischen der Formulierung des Wärmeleitmaterials und dem Verfahren – eine Zusammenarbeit mit dem Maschinenhersteller ist deshalb unumgänglich. Daher muss die Dosierbarkeit neuer Produkte umfassend mit entsprechend dimensionierten Industriemaschinen getestet werden. Nur so können wir unseren Kunden optimale Lösungen anbieten, die eine Kombinationen von Qualität und serientauglicher Verarbeitbarkeit gewährleisten.