Messung der Wärmeleitfähigkeit von Klebstoffen und anderen TIM (Thermal Interface Materials)

Wärmeleitfähige Klebstoffe, Vergussmassen und Gapfiller, allgemein auch als TIM bezeichnet, werden überall dort eingesetzt, wo Bauteile thermisch kontaktiert werden sollen. Bis vor wenigen Jahren lag das Hauptanwendungsgebiet dieser Materialien in der Mikroelektronik, um z.B. die Verlustwärme von hochintegrierten Schaltungen oder Leistungshalbleitern zuverlässig in Kühlsysteme abzuführen. Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen hat sich der Markt für derartige Produkte stark vergrößert. Sie sind zu einer unverzichtbaren Schlüsselkomponente geworden, die die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der Fahrzeugbatterie gewährleistet. Zukünftige Anwendungen liegen u.a. in elektrischen Energiespeichern für Windenergieanlagen und im Bereich der Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff.

 

Wachsende Anforderungen an TIM

In der Theorie ist die Wärmeleitung in vielen Veröffentlichungen mathematisch beschrieben, allerdings ist die praktische Umsetzung in reale Systeme oft unbekannten Größen ausgesetzt und stellt den Entwicklern solcher Systeme viele Einflussparameter zur Verfügung, um eine Optimierung zu erzielen. TIM sind meist aus Bindemitteln mit einem hohen Gehalt anorganischer Füllstoffe mit hoher intrinsischer Wärmeleitfähigkeit aufgebaut.

Dabei setzt sich aber die effektive Wärmeleitung in einem konkreten Bauteil nicht nur additiv aus den einzelnen intrinsischen Wärmleitfähigkeiten der unterschiedlichen Komponenten der TIM zusammen, sondern wird auch durch die thermischen Kontaktwiderstände der im kompletten Bauteil vorhandenen Materialien bestimmt. Diese können sowohl die Anbindung des Substrats an die TIM als auch die Leitung in dem TIM durch die Füllstoffe selbst betreffen.

Angesichts dieser sich wandelnden Anforderungen stehen die Anwender, die Klebstoffhersteller und entsprechende Forschungsinstitutionen vor der Aufgabe, Produkte mit gesteigerter thermischer Performance zu entwickeln. Für diese Arbeiten sind wiederum präzise zu ermittelnde Kennwerte für die Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Aus Anwendersicht bilden diese Werte die Grundlage für die Bauteilauslegung und für thermische Simulationsrechnungen.

 

Umfangreiche Messmöglichkeiten am Fraunhofer IFAM

Das Fraunhofer IFAM verfügt über langjährige Erfahrungen bei der experimentellen Ermittlung von Wärmeleitfähigkeiten. Die verfügbaren Messinstrumente decken dabei den Bereich von Kunststoffen mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten bis zu hoch wärmeleitfähigen Metall und Keramik-Substraten vollständig ab. Auf diese Weise sind bei Klebstoffen und Gapfillern nicht nur Messungen an Substanzproben möglich, sondern auch an Proben, bei denen z.B. der Klebstoff Teil eines Materialverbundes ist.

Im Einzelnen verfügt das Fraunhofer IFAM über folgende Messmöglichkeiten:

• Messung mit stationären Plattenanlagen und dynamischen Verfahren nach standardisierten Methoden
• Wärmeleitfähigkeitsbereich: 0,1 W/mK – 400 W/mK
• Zugänglicher Temperaturbereich: Raumtemperatur bis 300 °C
• Messungen an Beschichtungen und geklebten Verbindungen, bis hinunter zu Schichtdicken von 25 µm
• Untersuchungen von Materialien mit richtungsabhängiger Wärmeleitfähigkeit
• Verfolgung der Alterung von thermisch leitfähigen Verbindungen unter Temperatur- oder hydrothermaler Belastung

Neben der Bestimmung von reinen Materialkennwerten bietet das Institut noch weitergehende Dienstleistungen an:

• Auswahl und Qualifizierung von wärmeleitfähigen Produkten für komplexe Anwendungsprofile
• Rezepturentwicklung für wärmeleitfähige Klebstoffe, Vergussmassen und Gapfiller
• Klebgerechte Auslegung von Bauteilen inklusive thermischer Simulation