Das ultimative Wärmeleitpasten- und Pad-Kompendium: Anwendung, Bestandteile, Herstellung, Optimierung, Alterung, Gewinnmargen und Marketing

1 - Die drei großen P - Einführung zu Pasten, Pads und Putty 2 - Sinn und Zweck von Wärmeleitpasten 3 - Die große Abrechnung zwischen billig und teuer 4 - Die Matrix als Basis aller Pasten und Pads 5 - Silikonbasierte Pasten: Optimierung, Haltbarkeit, Zersetzung 6 - Wärmeleitende Füllstoffe sind wichtig 7 - Wie der Mahlgrad die Performance beeinflusst 8 - Silikon-Modifikation für Niedrigtemperaturen und LN2-Overclocking 9 - Der Herstellungsprozess von Pasten samt möglicher Hürden 10 - Sonderfall Flüssigmetall (LM) 11 - Sonderfall Graphitpads und Phase Changer 12 - Temperaturfenster, Ausdehnungsverhalten, Applikation 13 - Alterung und Zersetzung von Pasten und Pads 14 - Hersteller vs. Abfüller, irreführendes Marketing und Fazit

Ich kann Euch ein wenig trockene Theorie leider nicht ersparen, aber das nun mal wichtig für das bessere Verständnis der Materie. Das Design und die Optimierung von Wärmeleitpasten für Anwendungen in der Elektronikkühlung oder anderen wärmeintensiven Prozessen ist nämlich ein fortlaufendes Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Natürlich muss man zwischen von echter Forschung bei den wirklichen Herstellern der Pasten bzw. der Grundstoffe und dem Marketing der meisten Anbieter strikt unterscheiden, denn das eine basiert auf kostenintensiven Weiterentwicklungen, während das andere nur für den Endkunden kostenintensiv wird, wenn dieser die vergoldeten Worthülsen letztendlich bezahlen soll.

Ein entscheidender Faktor für die Wirksamkeit dieser Pasten ist natürlich ihre Fähigkeit, Wärme effizient von einer Quelle zu einem sogenannten Senkort zu leiten. Die Basis der am häufigsten in der PC-Technik eingesetzten Pasten besteht aus Silikon, das mit verschiedenen Füllstoffen modifiziert wird, um die gewünschten thermischen, mechanischen und rheologischen Eigenschaften zu erzielen. Durch die Veränderung der Seitenketten im Silikonpolymer können spezifische Eigenschaften wie Viskosität und die Stabilität der Mischung beeinflusst werden, was wiederum die Leistung der Wärmeleitpaste optimiert. Und da reden wir noch nicht einmal über die geheimnisvollen Zusatzstoffe! Jetzt erfahrt ich auch gleich, warum ich in vielen Artikeln immer über die geheimnisvollen Seitenketten als Steuerfaktor für die wichtigsten Eigenschaften der Pasten und der Usability schreibe.

Grundlagen der Silikonchemie für Wärmeleitpasten

Silikonpolymere, auch bekannt als Polysiloxane, zeichnen sich durch ihre spezielle Silizium-Sauerstoff-Rückgratstruktur aus. Es sind Polymere, die aus einer Wiederholungseinheit bestehen, die Silizium- und Sauerstoffatome abwechselt. Die allgemeine chemische Formel für diese Wiederholungseinheit in Silikonen ist -Si-O–Si-O-. Die Flexibilität dieser S-O-Bindungen verleiht Silikonen ihre charakteristischen elastischen und thermisch stabilen Eigenschaften. Die organischen Gruppen, die an das Silizium gebunden sind, beeinflussen maßgeblich die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Polymers. Durch die Modifikation dieser Seitenketten kann die Interaktion zwischen den Polymerketten und somit das gesamte Verhalten des Materials verändert werden. Dabei ist jedes Siliziumatom in der Regel mit zwei organischen Gruppen (z.B. Methylgruppen, -CH3) verbunden. Ist Euch das jetzt alles zu chemisch? Keine Angst, ich erspare Euch den Rest, aber die Seitenketten nehmen wir natürlich noch kurz mit.

Die Veränderung der Seitenketten in Silikonpolymeren bietet nämlich einen vielversprechenden Ansatz zur Optimierung der Eigenschaften von Wärmeleitpasten. Durch die Anpassung der Viskosität und die Verbesserung der Mischungsstabilität können diese Materialien für eine breite Palette von Anwendungen maßgeschneidert werden. Die Herausforderung besteht darin, die richtige Balance zwischen den verschiedenen Eigenschaften zu finden, um die bestmögliche Leistung zu erzielen. Fortschritte in der Chemie der Silikonpolymere und in den Techniken der Materialverarbeitung werden weiterhin die Entwicklung von Wärmeleitpasten vorantreiben, die den steigenden Anforderungen gerecht werden.

Dies betrifft auch die zielgerichtete Auswahl von Polymeren mit höherer chemischer und thermischer Stabilität. Die Kontrolle der Mischungs- und Aushärteprozesse kann dazu beitragen, die Homogenität und die Bindungskräfte innerhalb der Matrix zu verbessern, was die Risiken des Ausblutens und der Auflösung verringert.

Modifikation der Viskosität durch Seitenketten
Die Viskosität einer Wärmeleitpaste ist entscheidend für ihre Anwendbarkeit und Leistung. Eine zu hohe Viskosität erschwert die Anwendung und eine zu niedrige Viskosität kann zu einer unzureichenden Deckung führen. Durch das Einführen von Seitenketten mit unterschiedlicher Länge und Verzweigung kann die Beweglichkeit der Silikonmoleküle beeinflusst werden. Lange, unverzweigte Seitenketten können zu einer Erhöhung der Viskosität führen, da sie die Interaktion zwischen den Ketten erhöhen. Verzweigte Seitenketten hingegen können die Viskosität verringern, indem sie die Packungsdichte der Moleküle reduzieren und so ihre Beweglichkeit erhöhen.

Stabilisierung der Mischung
Die Homogenität und Stabilität der Mischung aus Silikon und Füllstoffen ist essentiell für die langfristige Leistung der Wärmeleitpaste. Füllstoffe wie Silber, Aluminiumoxid oder Boronitrid werden häufig verwendet, um die thermische Leitfähigkeit zu verbessern. Die Kompatibilität zwischen diesen Füllstoffen und dem Silikonmatrixmaterial ist entscheidend für die Vermeidung von Entmischung oder Sedimentation. Durch die Anpassung der Seitenketten des Silikons kann die Polarität oder die chemische Affinität zu den Füllstoffen verändert werden, was eine bessere Dispergierung und Bindung zwischen Matrix und Füllstoffen fördert. Funktionelle Gruppen, die spezifische Wechselwirkungen mit den Füllstoffen eingehen können, wie z.B. Aminogruppen oder Carboxylgruppen, können in die Seitenketten eingeführt werden, um die Stabilität der Mischung zu verbessern.

Praktische Umsetzung
Die praktische Umsetzung dieser chemischen Modifikationen erfordert eine sorgfältige Auswahl und Synthese der modifizierten Silikonpolymere. Die Synthese kann durch verschiedene organische Reaktionen erfolgen, bei denen die entsprechenden funktionellen Gruppen in die Silikonkette eingeführt werden. Anschließend wird das modifizierte Silikon mit den ausgewählten Füllstoffen in einem sorgfältig kontrollierten Mischprozess kombiniert, um eine homogene Wärmeleitpaste zu erzeugen.

Besonderheiten bei Wärmeleitpads und chemische Modifikationen

Die Auswahl des Polymermaterials für die Matrix eines Wärmeleitpads beeinflusst dessen thermische Leitfähigkeit, mechanische Flexibilität, chemische Beständigkeit und Verarbeitbarkeit. Zu den gängigen Polymeren für Pads zählen:

• Silikone:
  Bieten eine ausgezeichnete thermische Stabilität und chemische Beständigkeit. Ihre Flexibilität ermöglicht eine gute Anpassung an Oberflächenunebenheiten, was den thermischen Kontaktwiderstand reduziert.
• Acrylate:
  Zeichnen sich durch eine gute UV-Beständigkeit und eine geringere Kostenstruktur aus. Sie sind jedoch weniger thermisch stabil als Silikone.
• Polyurethane:
  Bieten eine gute mechanische Festigkeit und Flexibilität, sind aber empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit und höheren Temperaturen.
• Epoxidharze:
  Sind bekannt für ihre hohe mechanische Festigkeit und Haftung, weisen jedoch eine geringere Flexibilität auf.

Um die Eigenschaften von Wärmeleitpads weiter zu verbessern, können chemische Modifikationen an der Polymermatrix vorgenommen werden. Dazu gehören:

• Vernetzung:
  Durch chemische oder physikalische Vernetzungsverfahren können Polymere in eine dreidimensionale Struktur überführt werden, was ihre thermische und mechanische Stabilität verbessert.
• Plastifizierung:
  Die Zugabe von Plastifiziermitteln kann die Flexibilität und Verarbeitbarkeit von harten Polymeren erhöhen, was die Anpassungsfähigkeit an Oberflächen verbessert.
• Funktionalisierung:
  Die Einführung funktionaler Gruppen in das Polymer kann dessen Interaktion mit den Füllstoffen verbessern, was zu einer erhöhten thermischen Leitfähigkeit führt.
• Hybridisierung:
  Die Kombination verschiedener Polymere oder die Schaffung von Copolymeren kann zu einer Optimierung der Eigenschaftsbalance führen, indem die Vorteile einzelner Polymere kombiniert werden.

Die gezielte Auswahl und chemische Modifikation von Polymeren ermöglicht eine feine Abstimmung der Eigenschaften von Wärmeleitpads:

• Thermische Leitfähigkeit:
  Die Anpassung der Polymermatrix kann die Verteilung und Bindung der Füllstoffe optimieren, was zu einer verbesserten Wärmeübertragung führt.
• Mechanische Eigenschaften:
  Flexibilität, Kompressibilität und mechanische Festigkeit können an die spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden.
• Chemische und thermische Beständigkeit:
  Die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und Betriebstemperaturen kann durch die Auswahl spezifischer Polymere und deren Modifikationen verbessert werden.

Die Steuerung der Viskosität der Matrix im Detail

Die Viskosität von Silikonölen kann durch verschiedene Methoden gesteuert und verändert werden. Silikonöle, die zu den Silikonpolymeren gehören, sind bekannt für ihre thermische Stabilität und ihr breites Spektrum an Viskositäten. Ich will jetzt doch noch einmal mehr ins Detail gehen, weil hier ein sehr wichtiger Faktor liegt, der auch wesentlich zur Optimierung einer Paste für einen speziellen Einsatzzweck wie z.B. die CPU- und GPU-Kühlung im PC beiträgt. Denn es ist wichtig zu beachten, dass die spezifische Methode zur Anpassung der Viskosität von Silikonöl von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung abhängt. Bei der Auswahl einer Methode sollten die erforderlichen Eigenschaften des Endprodukts, Umweltbedingungen, Verarbeitungsmethoden und Kostenfaktoren berücksichtigt werden.

• Durch die Erhöhung des Polymerisationsgrades, d.h. die Verlängerung der Silikonketten, kann die Viskosität des Öls erhöht werden. Längere Ketten erhöhen die Interaktionen zwischen den Molekülen, was zu einer höheren Viskosität führt. Umgekehrt führt die Verringerung der Kettenlänge zu einer niedrigeren Viskosität.
• Wie bei den meisten Flüssigkeiten nimmt die Viskosität von Silikonöl mit steigender Temperatur ab. Erwärmung kann daher verwendet werden, um die Viskosität temporär zu verringern. Beim Abkühlen erhöht sich die Viskosität. Dieser Effekt ist jedoch reversibel und kehrt zurück, wenn das Öl wieder auf seine Ausgangstemperatur gebracht wird.
• Es gibt spezielle Zusätze (Verdickungsmittel), die verwendet werden können, um die Viskosität von Silikonöl zu erhöhen. Diese können Füllstoffe oder andere polymere Verdickungsmittel sein. Es ist hierbei jedoch wichtig, dass das Verdickungsmittel mit dem Silikonöl kompatibel ist, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen und keine unerwünschten Reaktionen hervorzurufen.
• Durch das Mischen von Silikonölen unterschiedlicher Viskositäten in bestimmten Verhältnissen kann eine gewünschte Viskosität erreicht werden. Es ist dabei ungemein wichtig, eine gleichmäßige Mischung zu gewährleisten, um konsistente Eigenschaften im gesamten Produkt zu erhalten.
• Durch die Einführung von verschiedenen funktionellen Gruppen oder Seitenketten in die Silikonstruktur kann die Viskosität beeinflusst werden. Geringfügige Kreuzvernetzung kann ebenfalls zur Erhöhung der Viskosität führen, ohne das Öl in ein festes Material zu verwandeln.
• In einigen Fällen kann Druck die Viskosität von Silikonöl beeinflussen, obwohl dieser Effekt in der Regel weniger ausgeprägt ist als bei Temperaturänderungen.