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

Die Leistungsfähigkeit der Silikon-basierten Pasten hängt natürlich auch stark von ihren Füllstoffen ab, die ihre thermischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmen. Ich teile dasGganze jetzt wieder in drei Gruppen ein, wobei es natürlich auch hybride Sonderfälle geben kann.

Metallbasierte Füllstoffe

Vorteile:
Metalle wie Silber, Kupfer und Aluminium bieten eine exzellente Wärmeleitfähigkeit, was zu einer effektiveren Wärmeabfuhr führt. Metallbasierte Füllstoffe behalten ihre thermischen Eigenschaften auch bei hohen Betriebstemperaturen bei. Ein Spezialfall ist dabei auch das sogenannte Flüssigmetall (LM)
Nachteile:
Die meisten Metalle sind elektrisch leitend, was ein Risiko für Kurzschlüsse darstellt, falls die Paste auf elektrische Kontakte gelangt. Der Aufwand beim Auftragen ist ungleich höher als sonst. Einige Metalle können zudem korrodieren, besonders in feuchten Umgebungen, was die Leistung der Paste über die Zeit verschlechtern kann. Zur Flüssigmetallpaste schreibe ich gleich noch etwas, hier muss man noch etwas weiter ausholen.

Keramikbasierte Füllstoffe

Vorteile:
Keramische Füllstoffe wie Boronitrid, Aluminiumoxid und Zinkoxid sind elektrisch isolierend, was sie sicher für Anwendungen macht, wo elektrische Isolation erforderlich ist. Sie sind zudem chemisch inert und reagieren nicht mit anderen Materialien oder Umgebungsbedingungen. Ergo bieten sie eine hohe chemische Stabilität.
Nachteile:
Obwohl sie eine gute Wärmeleitfähigkeit bieten, erreichen sie nicht die Werte metallbasierter Füllstoffe. Hochwertige keramische Füllstoffe können teurer sein als einige metallbasierte Alternative, müssen es aber nicht.

Korund (Aluminiumoxid, Al2O3) und Zinkoxid (ZnO) sind beides Keramikmaterialien, die in Wärmeleitpasten als Füllstoffe verwendet werden, um die thermische Leitfähigkeit zu verbessern. Beide haben ihre spezifischen Eigenschaften und Vorteile, aber ihre Wärmeleitfähigkeiten unterscheiden sich deutlich. Die Wärmeleitfähigkeit von Korund liegt typischerweise im Bereich von 20-30 W/mK, obwohl sie je nach Reinheit und Verarbeitung variieren kann. Korund ist ein sehr hartes Material mit guter thermischer Leitfähigkeit und hervorragender chemischer Stabilität. Es ist auch elektrisch isolierend. Aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit wird Korund oft in Hochleistungs-Wärmeleitpasten verwendet, insbesondere dort, wo eine effiziente Wärmeabfuhr erforderlich ist.

Zinkoxid hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Korund, typischerweise im Bereich von 2-5 W/mK. ZnO ist ebenfalls ein elektrisch isolierendes Material und wird oft wegen seiner Verfügbarkeit und geringeren Kosten gewählt. Zinkoxid wird deshalb sehr häufig in Standard-Wärmeleitpasten verwendet, wo eine moderate thermische Leitfähigkeit ausreichend ist und die Kosten ein wichtiger Faktor sind. In der Praxis wird die Auswahl zwischen Korund und Zinkoxid in einer Wärmeleitpaste auf der Grundlage spezifischer Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit, die elektrischen Eigenschaften, die Kosten und andere Faktoren getroffen. In vielen Fällen können auch Mischungen aus beiden Materialien verwendet werden, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten zu erreichen.

Kohlenstoffbasierte Füllstoffe

Vorteile:
Kohlenstoffmaterialien wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren bieten eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und gleichzeitig elektrische Isolation (Graphan). Diese Materialien können in verschiedenen Strukturen hergestellt werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen. Damit sind sie äußerst flexibel einsetzbar.
Nachteile:
Die Produktion von hochreinen Kohlenstoffmaterialien kann teuer sein. Auch die Dispersion in der Matrix ist ein Knackpunkt. Die gleichmäßige Verteilung von Kohlenstoffmaterialien in der Trägermatrix kann nämlich sehr herausfordernd sein, was die Konsistenz der Wärmeleitfähigkeit beeinflussen kann.

Durch die Kombination verschiedener Füllstoffe können Hersteller die Vorteile jedes Materials nutzen, um eine optimierte Balance zwischen Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Isolation und Kosten zu erreichen. Die Entwicklung einer solchen Paste, die verschiedene Füllstoffe enthält, erfordert umfangreiche Forschung und Tests, um die Kompatibilität und Leistung sicherzustellen. Eine gewisse Sonderstellung nehmen hier auf die sogenannten Graphit-Pads ein, die seit vielen Jahren immer mal wieder durch das Marketing forciert werden.

Kroykompatible Füllstoffe

Die Auswahl der Füllstoffe spielt eine entscheidende Rolle für die Funktionsfähigkeit von Wärmeleitpasten bei Tiefsttemperaturen. Füllstoffe wie Silber, Aluminiumnitrid oder Boronitrid verbessern die thermische Leitfähigkeit von Silikonpasten. Für den Einsatz bei Tiefsttemperaturen ist es jedoch wichtig, dass diese Füllstoffe keine signifikante Kontraktion oder Expansion erfahren, die zu Mikrorissen oder Delamination führen könnte. Füllstoffe mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Silikonmatrixmaterial sind vorzuziehen, um mechanische Spannungen bei extremen Temperaturschwankungen zu minimieren. Außerdem gibt es noch diverse Additive zur Verbesserung der Kryogenbeständigkeit.

Tiefenprüfung Wärmeleitpaste (ArcticMX-4): Mit Rasterelektronenmikroskop und Röntgenspektroskopie auf Schlangenöl-Suche. Was ist drin?