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

Der Mahlgrad der Füllstoffe: Performance und Kosten

Die Herstellung optimaler Wärmeleitpaste ist ein komplexer Prozess, der eine sorgfältige Abwägung zwischen Kosten, Performance und der Auswahl des geeigneten Bindemittels erfordert. Ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung einer Wärmeleitpaste ist der Mahlgrad der thermisch leitfähigen Füllstoffe. Er das Maß für ihre Partikelgröße nach dem Mahlprozess und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit, der Viskosität und der Anwendbarkeit der Paste.

Ein feiner Mahlgrad führt zu kleineren Partikeln, die eine größere Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen bieten. Dies ermöglicht eine dichtere Packung der Partikel in der Matrix und kann die thermische Leitfähigkeit der Paste verbessern, da der Wärmefluss durch die zahlreichen Kontaktstellen zwischen den Partikeln erleichtert wird. Allerdings kann ein zu feiner Mahlgrad die Viskosität der Paste erhöhen, was die Anwendbarkeit erschwert und die Bildung von Luftblasen begünstigt, die als thermische Isolatoren wirken. Ein gröberer Mahlgrad resultiert hingegen in größeren Partikeln, die tendenziell eine geringere Oberfläche im Verhältnis zum Volumen aufweisen. Dies kann zu einer geringeren thermischen Leitfähigkeit führen, da weniger Kontaktfläche für den Wärmetransfer zur Verfügung steht. Auf der anderen Seite kann eine Paste mit gröberen Partikeln eine niedrigere Viskosität aufweisen, was die Anwendung erleichtert.

Die Wahl des Mahlgrades beeinflusst allerdings auch auch die Kosten. Die Herstellung von Füllstoffen mit einem feinen Mahlgrad ist in der Regel kostenintensiver, da sie energieaufwendigere Mahlverfahren und häufig auch aufwendigere Trenn- und Klassifizierungsprozesse erfordert. Diese zusätzlichen Kosten können den Preis der fertigen Wärmeleitpaste erhöhen. Obwohl die Herstellungskosten für gröbere Partikel tendenziell niedriger sind, kann eine suboptimale thermische Leistung resultieren, was in Hochleistungsanwendungen inakzeptabel sein könnte.

Herkömmliche Mahlgrade für die in Wärmeleitpasten verwendeten Füllstoffe variieren in einem breiten Spektrum, wobei jeder Mahlgrad spezifische Vor- und Nachteile bietet:

• Mikronisierte Partikel im Mikrometer-Bereich (µm):
  Viele herkömmliche Wärmeleitpasten verwenden Füllstoffe, die zu Partikeln im Mikrometerbereich gemahlen sind, typischerweise zwischen 0,5 µm und 50 µm. Diese Größe ermöglicht eine gute Balance zwischen einer hohen Packungsdichte der Partikel für eine effiziente Wärmeleitung und einer handhabbaren Viskosität, die die Anwendung der Paste erleichtert. Partikel in diesem Größenbereich helfen, die Paste auf die Oberfläche aufzutragen, ohne zu viel Widerstand zu leisten, und ermöglichen dennoch einen effektiven Wärmetransfer.
• Submikron- und Nanopartikel:
  Partikelgrößen im Sub-Mikron-Bereich unterhalb von 1 µm bis hinab zu etwa 100 Nanometern (nm) werden ebenfalls gern verwendet, um die thermische Leitfähigkeit weiter zu verbessern. Diese kleineren Partikel können die Zwischenräume zwischen größeren Partikeln ausfüllen und so die thermische Kontaktfläche innerhalb der Paste erhöhen. Allerdings kann die Einarbeitung von Submikron- und Nanopartikeln die Viskosität der Paste erhöhen und die Verarbeitung erschweren.
• Nanopartikel:
  Spezielle Füllstoffe im Nanometerbereich (typischerweise unter 100 nm) bieten das Potenzial für eine ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit, da sie eine extrem hohe spezifische Oberfläche besitzen und theoretisch eine nahezu kontinuierliche Wärmeleitpfade bilden können. Nanopartikel können jedoch Herausforderungen bei der Homogenisierung und Stabilität der Paste mit sich bringen und sind in der Herstellung teurer. Ideal ist allerdings die Vermischung von Nano- und mikronisierten Partikeln.

Die Wahl des Mahlgrades hängt natürlich auch von mehreren Faktoren ab. Feinere Partikel können die thermische Leitfähigkeit verbessern, aber zu einem Punkt der abnehmenden Erträge führen, wenn die Viskosität zu hoch wird oder wenn die Partikel agglomerieren. Eine niedrigere Viskosität erleichtert die Anwendung der Paste, aber zu grobe Partikel können die Effizienz der Wärmeübertragung verringern. Feinere Mahlgrade sind in der Regel teurer in der Herstellung. Die Kosten-Nutzen-Analyse muss berücksichtigen, ob die verbesserte Leistung die zusätzlichen Kosten rechtfertigt. Die Auswahl des Mahlgrades bei der Herstellung von Wärmeleitpaste ist ein wirklich kritischer Schritt, der die Leistung, Anwendbarkeit und Kosten des Endprodukts beeinflusst.

Typische Körnungsgrößen und Mischungsverhältnis der üblichen Korund-Zink-Pasten

Die optimale Zusammensetzung und Körnungsgrößen von Korund (Aluminiumoxid, Al2O3) und Zinkoxid (ZnO) in Wärmeleitpasten hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter die gewünschte Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Anwendungstemperatur und die chemische Verträglichkeit mit anderen Komponenten der Paste. Die Partikelgröße von Korund in Wärmeleitpasten liegt typischerweise im Mikrometerbereich (z.B. 1-10 µm). Feinere Partikel können eine gleichmäßigere und dünnere Schicht bilden, was in manchen Anwendungen von Vorteil ist. Zinkoxidpartikel in Wärmeleitpasten haben ähnliche Größen wie Korund, oft auch im Mikrometerbereich oder sogar deutlich darunter. Die genaue Größe hängt von der gewünschten Konsistenz und Leitfähigkeit ab.

Es gibt somit auch kein „universell bestes“ Mischungsverhältnis, da dies von der spezifischen Anwendung und den gewünschten Eigenschaften abhängt. Ein höherer Anteil von Korund kann die thermische Leitfähigkeit verbessern, da Korund eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Zinkoxid hat. Allerdings kann dies auch die Viskosität und die Kosten erhöhen. Zinkoxid kann hilfreich sein, um die Paste weniger dicht und leichter anwendbar zu machen, bietet aber eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Für Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist (z.B. in Hochleistungs-CPUs), könnte ein höherer Korundanteil bevorzugt werden. In weniger anspruchsvollen Anwendungen könnte ein höherer Anteil an Zinkoxid ausreichend sein, um eine gute Balance zwischen Leistung und Kosten zu erreichen.

Der Mythos um die sogenannten Nano-Partikel

Die Verwendung von Nanopartikeln in Wärmeleitpasten wird oft als Durchbruch in der thermischen Interface-Technologie angepriesen, verspricht verbesserte thermische Leitfähigkeit und überlegene Performance gegenüber herkömmlichen Pasten. Während Nanopartikel aufgrund ihrer außergewöhnlich hohen Oberfläche-zu-Volumen-Ratio und der Fähigkeit, Mikrolücken effizienter zu füllen, theoretisch das Potenzial bieten, die Wärmeleitfähigkeit signifikant zu erhöhen, gibt es praktische Herausforderungen und Überlegungen, die ihre Wirksamkeit in realen Anwendungen einschränken. Dies führt oft dazu, dass die Vorteile von Nanopartikeln in Wärmeleitpasten eher als Marketingstrategie angesehen werden, anstatt dass sie tatsächlich zu optimalen Pasten führen. Die Gründe hierfür sind wirklich vielfältig.

Nanopartikel neigen aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie zur Agglomeration, d.h., sie klumpen zusammen und bilden größere Partikelaggregate. Dies kann die homogene Verteilung der Nanopartikel in der Paste erschweren und die Effizienz der Wärmeübertragung verringern. Die Agglomeration kann auch die Viskosität der Paste erhöhen, was ihre Anwendbarkeit und die Fähigkeit, dünne, gleichmäßige Schichten zu bilden, beeinträchtigt. Die Herstellung und Stabilisierung von Nanopartikeln sind kostspielig und technisch anspruchsvoll. Die hohen Kosten für die Produktion von Nanopartikel-basierten Wärmeleitpasten können die potenziellen Leistungsvorteile überschatten, besonders wenn die Verbesserungen in der thermischen Leitfähigkeit marginal sind oder nicht die zusätzlichen Kosten rechtfertigen.

Obwohl Nanopartikel die potenzielle thermische Leitfähigkeit der Paste erhöhen können, ist der tatsächliche Gewinn in realen Anwendungen oft begrenzt. Der effektive Wärmetransfer hängt nicht nur von der Leitfähigkeit der Paste, sondern auch von der Fähigkeit ab, eine dünne, gleichmäßige und luftblasenfreie Schicht zwischen den Oberflächen zu bilden. Die durch Nanopartikel verursachte erhöhte Viskosität kann diese Anforderungen untergraben. Nanopartikel bringen außerdem potenzielle Sicherheits- und Stabilitätsbedenken mit sich. Die langfristige chemische Stabilität von Nanopartikeln in Bindemitteln und ihre möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit und Sicherheit sind Bereiche, die weiterer Untersuchungen bedürfen. Darüber hinaus können Nanopartikel Herausforderungen in Bezug auf die Umweltverträglichkeit und Entsorgung darstellen. In einigen Fällen werden die behaupteten Vorteile von Nanopartikeln in Wärmeleitpasten mehr durch Marketinginitiativen getrieben als durch substantielle, messbare Verbesserungen in der Performance. Verbraucher können durch die Annahme angezogen werden, dass „Nano“ automatisch gleichbedeutend mit überlegener Technologie ist, auch wenn die realen Leistungsverbesserungen minimal oder nicht vorhanden sind. Es ist wichtig, dass Verbraucher kritisch bleiben und die tatsächlichen Leistungsdaten und Kosten-Nutzen-Verhältnisse bewerten, anstatt sich allein auf Marketingversprechen zu verlassen.

Wärmeleitpastenvergleich mit laserinduzierter Plasmaspektroskopie: Wir entdecken eine violette Überraschung!