Thermisch leitfähige Vergussmassen: λ-Werte erklärt
Wenn Leistungselektronik überhitzt, hilft auch der beste Kühlkörper nichts – sofern die Wärme nicht aus dem vergossenen Bauteil herauskommt. Thermisch leitfähige Vergussmassen mit hohem λ-Wert schaffen genau das: Sie schützen Elektronik vor Umwelteinflüssen und leiten gleichzeitig Verlustwärme gezielt ab. Doch was bedeutet der λ-Wert konkret, welche Füllstoffe steigern die Wärmeleitfähigkeit und wann lohnt sich der Einsatz wärmeleitfähiger Vergussmassen?
Warum Wärmeleitfähigkeit bei Vergussmassen entscheidend ist
Moderne Elektronikbaugruppen arbeiten auf immer kleinerem Raum mit steigenden Leistungsdichten. LED-Treiber, DC/DC-Wandler, Batteriemanagement-Systeme oder Motorcontroller erzeugen Verlustwärme, die abgeführt werden muss. Standard-Vergussmassen auf Epoxid- oder Silikonbasis bieten zwar ausgezeichneten Schutz gegen Feuchtigkeit, Chemikalien und mechanische Belastungen – sie wirken thermisch jedoch isolierend.
Die Folgen unzureichender Wärmeableitung sind messbar: Für jeden Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10 Kelvin halbiert sich statistisch die Lebensdauer von Halbleitern (Arrhenius-Regel). Hotspots entstehen, wenn Wärme nicht gleichmässig verteilt wird. Leistungsbauelemente müssen gedrosselt werden (Derating), wodurch Systeme nicht ihre volle Leistung erreichen. In kritischen Anwendungen wie E-Mobility-Batteriepacks oder Hochleistungs-LED-Modulen führt Überhitzung zu Ausfällen oder Sicherheitsrisiken.
Wärmeleitfähige Vergussmassen lösen dieses Problem, indem sie thermisch leitfähige Füllstoffe enthalten. Diese bilden Wärmeleitpfade durch das Polymer-Matrix und ermöglichen Wärmetransport vom Bauteil zum Gehäuse oder zur Leiterplatte. So verbinden moderne Formulierungen die Schutzfunktion klassischer Vergussmassen mit aktivem Thermomanagement.
Was ist der λ-Wert (Lambda)?
Der λ-Wert – auch Wärmeleitfähigkeit oder thermische Leitfähigkeit genannt – beschreibt, wie gut ein Material Wärme leitet. Die physikalische Einheit ist Watt pro Meter und Kelvin (W/m·K). Ein höherer λ-Wert bedeutet bessere Wärmeleitung.
Zum Vergleich typische λ-Werte:
- Kupfer: 390 W/m·K (exzellenter Wärmeleiter)
- Aluminium: 235 W/m·K
- Standard-Epoxidharz: 0,2–0,3 W/m·K
- Standard-Silikon: 0,15–0,25 W/m·K
- Wärmeleitfähige Vergussmasse: 0,5–3,0 W/m·K
- Hochleistungs-Wärmeleitpaste: bis 15 W/m·K
Die Messung erfolgt nach standardisierten Verfahren wie ASTM D5470 (Laser-Flash-Methode) oder ISO 22007 (Hot-Disk-Verfahren). Dabei wird ein definierter Wärmestrom durch eine Materialprobe geleitet und die resultierende Temperaturdifferenz gemessen. Wichtig: Der λ-Wert wird im ausgehärteten Zustand bestimmt – Herstellerangaben beziehen sich immer auf vollständig vernetzte Vergussmassen.
Praxistipp: λ-Wert versus thermischer Widerstand
Der λ-Wert ist eine Materialeigenschaft, sagt aber noch nichts über die tatsächliche Kühlwirkung aus. Entscheidend ist der thermische Widerstand Rth der gesamten Vergussschicht: Rth = d / (λ × A), wobei d die Schichtdicke und A die Fläche ist. Eine 5 mm dicke Schicht mit λ = 1 W/m·K leitet Wärme schlechter ab als eine 2 mm Schicht mit λ = 0,8 W/m·K. Optimieren Sie daher Materialwahl und Geometrie.
Vergleich: Standardverguss vs. thermisch leitfähig
Die Unterschiede zwischen herkömmlichen und wärmeleitfähigen Vergussmassen gehen über den λ-Wert hinaus. Die Tabelle zeigt typische Eigenschaftsprofile:
| Eigenschaft | Standard-Vergussmasse | Thermisch leitfähige Vergussmasse |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit λ | 0,2–0,3 W/m·K | 0,6–3,0 W/m·K |
| Füllstoffgehalt | 0–20 Gew.-% | 40–75 Gew.-% |
| Viskosität (ungehärtet) | 1.000–10.000 mPa·s | 10.000–80.000 mPa·s |
| Shore-Härte (ausgehärtet) | Shore A 30–80 | Shore A 50–90 / Shore D 30–60 |
| Dichte | 1,0–1,2 g/cm³ | 1,8–2,8 g/cm³ |
| Verarbeitung | Giessen, Dosieren, Vakuum optional | Vakuumentgasung empfohlen, Rührwerk nötig |
| Preis (relativ) | € | €€–€€€ |
Der hohe Füllstoffgehalt wärmeleitfähiger Vergussmassen bringt Herausforderungen: Die Viskosität steigt deutlich, was das Entlüften erschwert. Die höhere Dichte erfordert angepasste Dosiersysteme. Zudem neigen Füllstoffe zur Sedimentation, wenn das Material vor der Verarbeitung längere Zeit ruht. Dafür erhalten Sie eine deutlich verbesserte Wärmeableitung bei gleichbleibender elektrischer Isolationsfähigkeit.
Füllstoffe und ihre Wirkung
Die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse hängt direkt von Art, Menge und Form der eingesetzten Füllstoffe ab. Polymer-Matrices (Epoxid, Silikon, Polyurethan) selbst leiten Wärme schlecht – erst die Füllstoffe schaffen durchgehende Wärmeleitpfade. Folgende Materialien kommen zum Einsatz:
Aluminiumoxid (Al₂O₃)
Der meistverwendete Füllstoff für wärmeleitfähige Vergussmassen. Aluminiumoxid bietet ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis und erreicht bei hohen Füllgraden (60–70 Gew.-%) λ-Werte von 0,8–1,5 W/m·K. Die weissen Partikel sind elektrisch isolierend, chemisch inert und in verschiedenen Korngrößen verfügbar. Durch Kombination unterschiedlicher Partikelgrößen (bimodale Verteilung) lässt sich die Packungsdichte optimieren – feine Partikel füllen Zwischenräume zwischen groben.
Bornitrid (BN)
Hexagonales Bornitrid wird auch als "weisses Graphit" bezeichnet und zeigt ausgeprägte thermische Anisotropie: Wärme wird entlang der Kristallebenen exzellent geleitet. Vergussmassen mit BN-Füllstoff erreichen λ-Werte von 1,5–3,0 W/m·K bei gleichzeitig niedriger Dielektrizitätskonstante – ideal für Hochfrequenzanwendungen. Der Nachteil: Bornitrid ist deutlich teurer als Aluminiumoxid und die Verarbeitung anspruchsvoller, da die plättchenförmigen Partikel zur Orientierung neigen.
Aluminiumnitrid (AlN)
Mit einer intrinsischen Wärmeleitfähigkeit von über 200 W/m·K gehört Aluminiumnitrid zu den effektivsten keramischen Füllstoffen. Vergussmassen erreichen damit λ-Werte bis 2,5 W/m·K. AlN ist elektrisch isolierend und zeigt im Gegensatz zu Bornitrid keine Anisotropie. Limitierend wirken die hohen Kosten und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit – AlN reagiert mit Wasser zu Aluminiumoxid und Ammoniak, weshalb sorgfältige Trocknung und Lagerung erforderlich sind.
Metallische Füllstoffe (Silber, Aluminium)
Silberflocken oder Aluminiumpulver ermöglichen Wärmeleitfähigkeiten über 3 W/m·K – allerdings auf Kosten der elektrischen Isolation. Diese elektrisch leitfähigen Vergussmassen finden Einsatz, wo gezielt Masse-Verbindungen oder EMV-Abschirmung gewünscht sind. Für klassische Isolations-Anwendungen sind sie ungeeignet.
Anwendungen
Thermisch leitfähige Vergussmassen kommen überall dort zum Einsatz, wo Elektronik gleichzeitig geschützt und gekühlt werden muss:
LED-Beleuchtung und Hochleistungs-LEDs
LED-Chips erreichen Leistungsdichten von mehreren Watt pro Quadratmillimeter. Die Sperrschichttemperatur bestimmt Helligkeit, Farbort und Lebensdauer. Wärmeleitfähige Silikonvergussmassen (λ = 0,8–1,2 W/m·K) kapseln LED-Module ein und leiten Wärme zum Aluminiumkühlkörper. Die mechanische Flexibilität kompensiert thermische Ausdehnung, während die UV-Stabilität langfristige Transparenz sichert. Bluesil-Formulierungen für LED-Anwendungen erreichen Shore A 40–60 bei λ-Werten um 1,0 W/m·K.
Leistungselektronik und Frequenzumrichter
IGBT-Module, MOSFET-Brückenschaltungen und DC/DC-Wandler erzeugen im Schaltbetrieb erhebliche Verluste. Epoxid-basierte Vergussmassen mit λ = 1,5–2,0 W/m·K bieten hier die nötige mechanische Festigkeit (Shore D 50–70) und Temperaturbeständigkeit bis 150°C. Die hohe Durchschlagfestigkeit schützt gegen Kriechströme, während die Wärmeableitung überhitzte Sperrschichten verhindert. Typische Schichtdicken: 3–8 mm.
E-Mobility: Batteriemanagementsysteme und Ladeelektronik
Automotive-Anwendungen erfordern Temperaturbeständigkeit von –40°C bis +125°C, mechanische Robustheit gegen Vibration und langfristige Beständigkeit. Thermisch leitfähige Polyurethan- oder Silikonvergussmassen schützen BMS-Platinen in Hochvolt-Batteriepacks und leiten Wärme ab. Gleichzeitig müssen sie UL94-V0-Flammschutz erfüllen. Anforderungen an λ-Werte: mindestens 1,0 W/m·K für aktive Kühlung, bis 2,0 W/m·K für passive Systeme.
Netzteile und Stromversorgungen
Schaltnetzteile vereinen hohe Bauteiledichte mit permanenter thermischer Last. Transformatoren, Gleichrichter und Elektrolytkondensatoren profitieren von wärmeleitfähigem Verguss, der die Wärme zu Metallgehäusen oder Grundplatten lenkt. Bei 2-Komponenten-Silikonen ermöglicht die lange Topfzeit (20–60 Minuten) auch komplexe Geometrien vollständig zu füllen.
Auswahlkriterien: Den richtigen λ-Wert bestimmen
Höhere Wärmeleitfähigkeit klingt zunächst immer besser – doch sie geht mit höheren Kosten, schwierigerer Verarbeitung und oft höherer mechanischer Härte einher. Die Materialwahl sollte auf thermischer Berechnung basieren:
1. Verlustleistung ermitteln
Welche thermische Leistung P (in Watt) muss abgeführt werden? Werte aus Datenblättern der Leistungshalbleiter oder Messungen im Betrieb.
2. Temperaturdifferenz festlegen
Welche Temperaturdifferenz ΔT zwischen Bauteil und Kühlkörper ist zulässig? Typisch: 20–40 Kelvin, je nach maximaler Sperrschichttemperatur und Umgebungstemperatur.
3. Thermischen Widerstand berechnen
Rth = ΔT / P (Einheit: K/W). Dies ist der maximal zulässige thermische Widerstand der Vergussschicht.
4. Erforderlichen λ-Wert bestimmen
λ = d / (Rth × A), wobei d die Vergussschichtdicke in Metern und A die Wärmeübertragungsfläche in Quadratmetern ist. Sicherheitsfaktor 1,3–1,5 einrechnen, um Fertigungstoleranzen und Alterung zu kompensieren.
Beispielrechnung: Ein LED-Modul erzeugt 10 W Verlustwärme, die über eine Vergussschicht von 5 mm Dicke und 50 cm² Fläche abgeführt werden soll. Zulässige Temperaturdifferenz: 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Mit Sicherheitsfaktor 1,4: λ ≥ 0,46 W/m·K
Eine Vergussmasse mit λ = 0,8 W/m·K wäre hier ausreichend dimensioniert.
Weitere Auswahlkriterien: Chemische Beständigkeit (Kühlmittel, Öle), Temperaturbereich, Shore-Härte (Vibrationsaufnahme), elektrische Isolationsfestigkeit (Kriechstromfestigkeit CTI), Verarbeitbarkeit (Topfzeit, Entlüftung) und Zulassungen (UL, REACH, RoHS).
Verarbeitungstipps
Die hohe Viskosität und der Füllstoffgehalt thermisch leitfähiger Vergussmassen erfordern angepasste Verarbeitungstechniken:
Mischen und Homogenisieren
Füllstoffe sedimentieren während der Lagerung. Vor der Verarbeitung ist gründliches Aufrühren unerlässlich. Bei 2-Komponenten-Systemen sollten beide Komponenten einzeln homogenisiert werden, bevor sie gemischt werden. Planetenmischer oder Doppelschnecken-Rührwerke gewährleisten gleichmässige Füllstoffverteilung. Mischzeit: mindestens 2–3 Minuten bei Gebindegrössen über 1 kg.
Vakuumentgasung
Lufteinschlüsse reduzieren die effektive Wärmeleitfähigkeit drastisch – eine Luftblase mit λ = 0,026 W/m·K wirkt als thermische Barriere. Entgasung bei 10–50 mbar für 5–10 Minuten nach dem Mischen beseitigt eingerührte Luft. Bei großen Vergussvolumina kann auch direkt in der Vakuumkammer vergossen werden. Achtung: Zu langes Vakuum verkürzt die Topfzeit bei reaktiven Systemen.
Dosierung und Fliessverhalten
Die Viskosität liegt oft bei 20.000–60.000 mPa·s – deutlich höher als bei Standardverguss. Zahnradpumpen oder Exzenterschneckenpumpen eignen sich besser als Kolbendosierer. Bei komplexen Baugruppen das Vergussmaterial langsam von der tiefsten Stelle eingießen und aufsteigen lassen, damit Luft entweichen kann. Erwärmen auf 30–40°C senkt die Viskosität und verbessert das Fließverhalten, verkürzt aber die Topfzeit.
Aushärtung
Der hohe Füllstoffgehalt verlangsamt die Wärmeabfuhr während der Exothermie. Bei dicken Vergussschichten (> 20 mm) und schnell reagierenden Epoxidsystemen kann unkontrollierte Wärmeentwicklung auftreten. Abhilfe: Stufenweise Aushärtung (z.B. 2 h bei 60°C, dann 4 h bei 80°C) oder Verwendung langsam härtender Formulierungen. Silikonvergussmassen härten ohne Exothermie aus.
Nachbehandlung und Qualitätskontrolle
Nach der Aushärtung sollte die Vergussqualität geprüft werden: Sichtprüfung auf Blasen, Shore-Härte-Messung zur Kontrolle der Vernetzung, Thermografie-Aufnahme unter Last zur Verifikation der Wärmeableitung. Bei sicherheitskritischen Anwendungen kann die Durchschlagfestigkeit stichprobenartig geprüft werden.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Fazit: Thermische Performance messbar verbessern
Wärmeleitfähige Vergussmassen sind mehr als ein Upgrade – sie ermöglichen Elektronikdesigns, die mit Standardverguss thermisch nicht funktionieren würden. Der λ-Wert gibt die Materialfähigkeit an, doch die tatsächliche Kühlwirkung hängt von Schichtdicke, Fläche und Gesamtsystem ab. Aluminiumoxid-gefüllte Systeme bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für die meisten Anwendungen, während Bornitrid und Aluminiumnitrid für Hochleistungs-Thermomanagement reserviert bleiben.
Die Verarbeitung erfordert mehr Sorgfalt als bei Standardverguss – Homogenisierung, Entgasung und angepasste Dosiertechnik sind entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse. Dafür erhalten Sie messbaren Nutzen: niedrigere Sperrschichttemperaturen, längere Lebensdauer, höhere Systemleistung und bessere Zuverlässigkeit.
Bei der Auswahl gilt: So viel Wärmeleitfähigkeit wie nötig, nicht wie möglich. Eine durchdachte thermische Berechnung verhindert Über-Engineering und hält Kosten im Rahmen. Bluesil-Vergussmassen bieten abgestimmte Lösungen für unterschiedliche λ-Anforderungen – von flexiblen Silikonformulierungen mit λ = 0,8 W/m·K bis zu hochgefüllten Systemen mit λ = 2,5 W/m·K.
Thermisch leitfähige Vergussmassen für Ihre Anwendung
Unsere Materialspezialisten unterstützen Sie bei der Auswahl der optimalen wärmeleitfähigen Vergussmasse – mit thermischer Berechnung, Musterstellung und Verarbeitungsberatung. SILITECH bietet Bluesil-Vergusssysteme mit λ-Werten von 0,6 bis 3,0 W/m·K für Elektronik, LED, E-Mobility und industrielle Anwendungen.
SILITECH AG
Worbstrasse 173
3073 Gümligen
Schweiz
Tel: +41 31 398 50 70
E-Mail: info@silitech.ch
Thermisch leitfähige Vergussmassen: λ-Werte erklärt
Wenn Leistungselektronik überhitzt, hilft auch der beste Kühlkörper nichts – sofern die Wärme nicht aus dem vergossenen Bauteil herauskommt. Thermisch leitfähige Vergussmassen mit hohem λ-Wert schaffen genau das: Sie schützen Elektronik vor Umwelteinflüssen und leiten gleichzeitig Verlustwärme gezielt ab. Doch was bedeutet der λ-Wert konkret, welche Füllstoffe steigern die Wärmeleitfähigkeit und wann lohnt sich der Einsatz wärmeleitfähiger Vergussmassen?
Warum Wärmeleitfähigkeit bei Vergussmassen entscheidend ist
Moderne Elektronikbaugruppen arbeiten auf immer kleinerem Raum mit steigenden Leistungsdichten. LED-Treiber, DC/DC-Wandler, Batteriemanagement-Systeme oder Motorcontroller erzeugen Verlustwärme, die abgeführt werden muss. Standard-Vergussmassen auf Epoxid- oder Silikonbasis bieten zwar ausgezeichneten Schutz gegen Feuchtigkeit, Chemikalien und mechanische Belastungen – sie wirken thermisch jedoch isolierend.
Die Folgen unzureichender Wärmeableitung sind messbar: Für jeden Anstieg der Sperrschichttemperatur um 10 Kelvin halbiert sich statistisch die Lebensdauer von Halbleitern (Arrhenius-Regel). Hotspots entstehen, wenn Wärme nicht gleichmässig verteilt wird. Leistungsbauelemente müssen gedrosselt werden (Derating), wodurch Systeme nicht ihre volle Leistung erreichen. In kritischen Anwendungen wie E-Mobility-Batteriepacks oder Hochleistungs-LED-Modulen führt Überhitzung zu Ausfällen oder Sicherheitsrisiken.
Wärmeleitfähige Vergussmassen lösen dieses Problem, indem sie thermisch leitfähige Füllstoffe enthalten. Diese bilden Wärmeleitpfade durch das Polymer-Matrix und ermöglichen Wärmetransport vom Bauteil zum Gehäuse oder zur Leiterplatte. So verbinden moderne Formulierungen die Schutzfunktion klassischer Vergussmassen mit aktivem Thermomanagement.
Was ist der λ-Wert (Lambda)?
Der λ-Wert – auch Wärmeleitfähigkeit oder thermische Leitfähigkeit genannt – beschreibt, wie gut ein Material Wärme leitet. Die physikalische Einheit ist Watt pro Meter und Kelvin (W/m·K). Ein höherer λ-Wert bedeutet bessere Wärmeleitung.
Zum Vergleich typische λ-Werte:
- Kupfer: 390 W/m·K (exzellenter Wärmeleiter)
- Aluminium: 235 W/m·K
- Standard-Epoxidharz: 0,2–0,3 W/m·K
- Standard-Silikon: 0,15–0,25 W/m·K
- Wärmeleitfähige Vergussmasse: 0,5–3,0 W/m·K
- Hochleistungs-Wärmeleitpaste: bis 15 W/m·K
Die Messung erfolgt nach standardisierten Verfahren wie ASTM D5470 (Laser-Flash-Methode) oder ISO 22007 (Hot-Disk-Verfahren). Dabei wird ein definierter Wärmestrom durch eine Materialprobe geleitet und die resultierende Temperaturdifferenz gemessen. Wichtig: Der λ-Wert wird im ausgehärteten Zustand bestimmt – Herstellerangaben beziehen sich immer auf vollständig vernetzte Vergussmassen.
Praxistipp: λ-Wert versus thermischer Widerstand
Der λ-Wert ist eine Materialeigenschaft, sagt aber noch nichts über die tatsächliche Kühlwirkung aus. Entscheidend ist der thermische Widerstand Rth der gesamten Vergussschicht: Rth = d / (λ × A), wobei d die Schichtdicke und A die Fläche ist. Eine 5 mm dicke Schicht mit λ = 1 W/m·K leitet Wärme schlechter ab als eine 2 mm Schicht mit λ = 0,8 W/m·K. Optimieren Sie daher Materialwahl und Geometrie.
Vergleich: Standardverguss vs. thermisch leitfähig
Die Unterschiede zwischen herkömmlichen und wärmeleitfähigen Vergussmassen gehen über den λ-Wert hinaus. Die Tabelle zeigt typische Eigenschaftsprofile:
| Eigenschaft | Standard-Vergussmasse | Thermisch leitfähige Vergussmasse |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit λ | 0,2–0,3 W/m·K | 0,6–3,0 W/m·K |
| Füllstoffgehalt | 0–20 Gew.-% | 40–75 Gew.-% |
| Viskosität (ungehärtet) | 1.000–10.000 mPa·s | 10.000–80.000 mPa·s |
| Shore-Härte (ausgehärtet) | Shore A 30–80 | Shore A 50–90 / Shore D 30–60 |
| Dichte | 1,0–1,2 g/cm³ | 1,8–2,8 g/cm³ |
| Verarbeitung | Giessen, Dosieren, Vakuum optional | Vakuumentgasung empfohlen, Rührwerk nötig |
| Preis (relativ) | € | €€–€€€ |
Der hohe Füllstoffgehalt wärmeleitfähiger Vergussmassen bringt Herausforderungen: Die Viskosität steigt deutlich, was das Entlüften erschwert. Die höhere Dichte erfordert angepasste Dosiersysteme. Zudem neigen Füllstoffe zur Sedimentation, wenn das Material vor der Verarbeitung längere Zeit ruht. Dafür erhalten Sie eine deutlich verbesserte Wärmeableitung bei gleichbleibender elektrischer Isolationsfähigkeit.
Füllstoffe und ihre Wirkung
Die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse hängt direkt von Art, Menge und Form der eingesetzten Füllstoffe ab. Polymer-Matrices (Epoxid, Silikon, Polyurethan) selbst leiten Wärme schlecht – erst die Füllstoffe schaffen durchgehende Wärmeleitpfade. Folgende Materialien kommen zum Einsatz:
Aluminiumoxid (Al₂O₃)
Der meistverwendete Füllstoff für wärmeleitfähige Vergussmassen. Aluminiumoxid bietet ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis und erreicht bei hohen Füllgraden (60–70 Gew.-%) λ-Werte von 0,8–1,5 W/m·K. Die weissen Partikel sind elektrisch isolierend, chemisch inert und in verschiedenen Korngrößen verfügbar. Durch Kombination unterschiedlicher Partikelgrößen (bimodale Verteilung) lässt sich die Packungsdichte optimieren – feine Partikel füllen Zwischenräume zwischen groben.
Bornitrid (BN)
Hexagonales Bornitrid wird auch als "weisses Graphit" bezeichnet und zeigt ausgeprägte thermische Anisotropie: Wärme wird entlang der Kristallebenen exzellent geleitet. Vergussmassen mit BN-Füllstoff erreichen λ-Werte von 1,5–3,0 W/m·K bei gleichzeitig niedriger Dielektrizitätskonstante – ideal für Hochfrequenzanwendungen. Der Nachteil: Bornitrid ist deutlich teurer als Aluminiumoxid und die Verarbeitung anspruchsvoller, da die plättchenförmigen Partikel zur Orientierung neigen.
Aluminiumnitrid (AlN)
Mit einer intrinsischen Wärmeleitfähigkeit von über 200 W/m·K gehört Aluminiumnitrid zu den effektivsten keramischen Füllstoffen. Vergussmassen erreichen damit λ-Werte bis 2,5 W/m·K. AlN ist elektrisch isolierend und zeigt im Gegensatz zu Bornitrid keine Anisotropie. Limitierend wirken die hohen Kosten und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit – AlN reagiert mit Wasser zu Aluminiumoxid und Ammoniak, weshalb sorgfältige Trocknung und Lagerung erforderlich sind.
Metallische Füllstoffe (Silber, Aluminium)
Silberflocken oder Aluminiumpulver ermöglichen Wärmeleitfähigkeiten über 3 W/m·K – allerdings auf Kosten der elektrischen Isolation. Diese elektrisch leitfähigen Vergussmassen finden Einsatz, wo gezielt Masse-Verbindungen oder EMV-Abschirmung gewünscht sind. Für klassische Isolations-Anwendungen sind sie ungeeignet.
Anwendungen
Thermisch leitfähige Vergussmassen kommen überall dort zum Einsatz, wo Elektronik gleichzeitig geschützt und gekühlt werden muss:
LED-Beleuchtung und Hochleistungs-LEDs
LED-Chips erreichen Leistungsdichten von mehreren Watt pro Quadratmillimeter. Die Sperrschichttemperatur bestimmt Helligkeit, Farbort und Lebensdauer. Wärmeleitfähige Silikonvergussmassen (λ = 0,8–1,2 W/m·K) kapseln LED-Module ein und leiten Wärme zum Aluminiumkühlkörper. Die mechanische Flexibilität kompensiert thermische Ausdehnung, während die UV-Stabilität langfristige Transparenz sichert. Bluesil-Formulierungen für LED-Anwendungen erreichen Shore A 40–60 bei λ-Werten um 1,0 W/m·K.
Leistungselektronik und Frequenzumrichter
IGBT-Module, MOSFET-Brückenschaltungen und DC/DC-Wandler erzeugen im Schaltbetrieb erhebliche Verluste. Epoxid-basierte Vergussmassen mit λ = 1,5–2,0 W/m·K bieten hier die nötige mechanische Festigkeit (Shore D 50–70) und Temperaturbeständigkeit bis 150°C. Die hohe Durchschlagfestigkeit schützt gegen Kriechströme, während die Wärmeableitung überhitzte Sperrschichten verhindert. Typische Schichtdicken: 3–8 mm.
E-Mobility: Batteriemanagementsysteme und Ladeelektronik
Automotive-Anwendungen erfordern Temperaturbeständigkeit von –40°C bis +125°C, mechanische Robustheit gegen Vibration und langfristige Beständigkeit. Thermisch leitfähige Polyurethan- oder Silikonvergussmassen schützen BMS-Platinen in Hochvolt-Batteriepacks und leiten Wärme ab. Gleichzeitig müssen sie UL94-V0-Flammschutz erfüllen. Anforderungen an λ-Werte: mindestens 1,0 W/m·K für aktive Kühlung, bis 2,0 W/m·K für passive Systeme.
Netzteile und Stromversorgungen
Schaltnetzteile vereinen hohe Bauteiledichte mit permanenter thermischer Last. Transformatoren, Gleichrichter und Elektrolytkondensatoren profitieren von wärmeleitfähigem Verguss, der die Wärme zu Metallgehäusen oder Grundplatten lenkt. Bei 2-Komponenten-Silikonen ermöglicht die lange Topfzeit (20–60 Minuten) auch komplexe Geometrien vollständig zu füllen.
Auswahlkriterien: Den richtigen λ-Wert bestimmen
Höhere Wärmeleitfähigkeit klingt zunächst immer besser – doch sie geht mit höheren Kosten, schwierigerer Verarbeitung und oft höherer mechanischer Härte einher. Die Materialwahl sollte auf thermischer Berechnung basieren:
1. Verlustleistung ermitteln
Welche thermische Leistung P (in Watt) muss abgeführt werden? Werte aus Datenblättern der Leistungshalbleiter oder Messungen im Betrieb.
2. Temperaturdifferenz festlegen
Welche Temperaturdifferenz ΔT zwischen Bauteil und Kühlkörper ist zulässig? Typisch: 20–40 Kelvin, je nach maximaler Sperrschichttemperatur und Umgebungstemperatur.
3. Thermischen Widerstand berechnen
Rth = ΔT / P (Einheit: K/W). Dies ist der maximal zulässige thermische Widerstand der Vergussschicht.
4. Erforderlichen λ-Wert bestimmen
λ = d / (Rth × A), wobei d die Vergussschichtdicke in Metern und A die Wärmeübertragungsfläche in Quadratmetern ist. Sicherheitsfaktor 1,3–1,5 einrechnen, um Fertigungstoleranzen und Alterung zu kompensieren.
Beispielrechnung: Ein LED-Modul erzeugt 10 W Verlustwärme, die über eine Vergussschicht von 5 mm Dicke und 50 cm² Fläche abgeführt werden soll. Zulässige Temperaturdifferenz: 30 K.
- Rth = 30 K / 10 W = 3 K/W
- λ = 0,005 m / (3 K/W × 0,005 m²) = 0,33 W/m·K
- Mit Sicherheitsfaktor 1,4: λ ≥ 0,46 W/m·K
Eine Vergussmasse mit λ = 0,8 W/m·K wäre hier ausreichend dimensioniert.
Weitere Auswahlkriterien: Chemische Beständigkeit (Kühlmittel, Öle), Temperaturbereich, Shore-Härte (Vibrationsaufnahme), elektrische Isolationsfestigkeit (Kriechstromfestigkeit CTI), Verarbeitbarkeit (Topfzeit, Entlüftung) und Zulassungen (UL, REACH, RoHS).
Verarbeitungstipps
Die hohe Viskosität und der Füllstoffgehalt thermisch leitfähiger Vergussmassen erfordern angepasste Verarbeitungstechniken:
Mischen und Homogenisieren
Füllstoffe sedimentieren während der Lagerung. Vor der Verarbeitung ist gründliches Aufrühren unerlässlich. Bei 2-Komponenten-Systemen sollten beide Komponenten einzeln homogenisiert werden, bevor sie gemischt werden. Planetenmischer oder Doppelschnecken-Rührwerke gewährleisten gleichmässige Füllstoffverteilung. Mischzeit: mindestens 2–3 Minuten bei Gebindegrössen über 1 kg.
Vakuumentgasung
Lufteinschlüsse reduzieren die effektive Wärmeleitfähigkeit drastisch – eine Luftblase mit λ = 0,026 W/m·K wirkt als thermische Barriere. Entgasung bei 10–50 mbar für 5–10 Minuten nach dem Mischen beseitigt eingerührte Luft. Bei großen Vergussvolumina kann auch direkt in der Vakuumkammer vergossen werden. Achtung: Zu langes Vakuum verkürzt die Topfzeit bei reaktiven Systemen.
Dosierung und Fliessverhalten
Die Viskosität liegt oft bei 20.000–60.000 mPa·s – deutlich höher als bei Standardverguss. Zahnradpumpen oder Exzenterschneckenpumpen eignen sich besser als Kolbendosierer. Bei komplexen Baugruppen das Vergussmaterial langsam von der tiefsten Stelle eingießen und aufsteigen lassen, damit Luft entweichen kann. Erwärmen auf 30–40°C senkt die Viskosität und verbessert das Fließverhalten, verkürzt aber die Topfzeit.
Aushärtung
Der hohe Füllstoffgehalt verlangsamt die Wärmeabfuhr während der Exothermie. Bei dicken Vergussschichten (> 20 mm) und schnell reagierenden Epoxidsystemen kann unkontrollierte Wärmeentwicklung auftreten. Abhilfe: Stufenweise Aushärtung (z.B. 2 h bei 60°C, dann 4 h bei 80°C) oder Verwendung langsam härtender Formulierungen. Silikonvergussmassen härten ohne Exothermie aus.
Nachbehandlung und Qualitätskontrolle
Nach der Aushärtung sollte die Vergussqualität geprüft werden: Sichtprüfung auf Blasen, Shore-Härte-Messung zur Kontrolle der Vernetzung, Thermografie-Aufnahme unter Last zur Verifikation der Wärmeableitung. Bei sicherheitskritischen Anwendungen kann die Durchschlagfestigkeit stichprobenartig geprüft werden.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Fazit: Thermische Performance messbar verbessern
Wärmeleitfähige Vergussmassen sind mehr als ein Upgrade – sie ermöglichen Elektronikdesigns, die mit Standardverguss thermisch nicht funktionieren würden. Der λ-Wert gibt die Materialfähigkeit an, doch die tatsächliche Kühlwirkung hängt von Schichtdicke, Fläche und Gesamtsystem ab. Aluminiumoxid-gefüllte Systeme bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für die meisten Anwendungen, während Bornitrid und Aluminiumnitrid für Hochleistungs-Thermomanagement reserviert bleiben.
Die Verarbeitung erfordert mehr Sorgfalt als bei Standardverguss – Homogenisierung, Entgasung und angepasste Dosiertechnik sind entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse. Dafür erhalten Sie messbaren Nutzen: niedrigere Sperrschichttemperaturen, längere Lebensdauer, höhere Systemleistung und bessere Zuverlässigkeit.
Bei der Auswahl gilt: So viel Wärmeleitfähigkeit wie nötig, nicht wie möglich. Eine durchdachte thermische Berechnung verhindert Über-Engineering und hält Kosten im Rahmen. Bluesil-Vergussmassen bieten abgestimmte Lösungen für unterschiedliche λ-Anforderungen – von flexiblen Silikonformulierungen mit λ = 0,8 W/m·K bis zu hochgefüllten Systemen mit λ = 2,5 W/m·K.
Thermisch leitfähige Vergussmassen für Ihre Anwendung
Unsere Materialspezialisten unterstützen Sie bei der Auswahl der optimalen wärmeleitfähigen Vergussmasse – mit thermischer Berechnung, Musterstellung und Verarbeitungsberatung. SILITECH bietet Bluesil-Vergusssysteme mit λ-Werten von 0,6 bis 3,0 W/m·K für Elektronik, LED, E-Mobility und industrielle Anwendungen.
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