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?
Inhaltsverzeichnis
- Warum Wärmeleitfähigkeit bei Vergussmassen entscheidend ist
- Was ist der λ-Wert (Lambda)?
- Praxistipp: λ-Wert versus thermischer Widerstand
- Vergleich: Standardverguss vs. thermisch leitfähig
- Füllstoffe und ihre Wirkung
- Anwendungen
- Auswahlkriterien: Den richtigen λ-Wert bestimmen
- Verarbeitungstipps
- Häufig gestellte Fragen (FAQ)
- Fazit
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, wirken thermisch jedoch meist eher isolierend.
Die Folgen unzureichender Wärmeableitung sind messbar. Eine höhere Betriebstemperatur beschleunigt die Alterung elektronischer Bauteile deutlich. Eine häufig verwendete Faustregel besagt, dass sich die Lebensdauer bei einer Temperaturerhöhung um 10 K in vielen Fällen etwa halbieren kann. Die genaue Auswirkung hängt jedoch vom Bauteil und vom dominanten Ausfallmechanismus ab.
Zusätzlich entstehen Hotspots, 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 kann Überhitzung zu Ausfällen oder Sicherheitsrisiken führen.
Wärmeleitfähige Vergussmassen lösen dieses Problem, indem sie thermisch leitfähige Füllstoffe enthalten. Diese bilden Wärmeleitpfade in der Polymermatrix und ermöglichen den Wärmetransport vom Bauteil in angrenzende Strukturen wie Gehäuse, Träger oder Kühlflächen. 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: ca. 390 W/m·K (sehr guter Wärmeleiter)
- Aluminium: ca. 235 W/m·K
- Standard-Epoxidharz: ca. 0,2 bis 0,3 W/m·K
- Standard-Silikon: ca. 0,15 bis 0,25 W/m·K
- Wärmeleitfähige Vergussmasse: ca. 0,5 bis 3,0 W/m·K (typischer Bereich)
- Hochleistungs-Wärmeleitpaste: je nach System deutlich höher
Die Wärmeleitfähigkeit wird mit standardisierten Prüfverfahren bestimmt. Je nach Materialsystem und Prüflabor kommen unterschiedliche Methoden zum Einsatz, zum Beispiel stationäre oder transiente Verfahren. Wichtig ist, dass λ-Werte nur im Kontext von Prüfmethodik, Temperatur, Probenzustand und Aushärtebedingungen sinnvoll vergleichbar sind.
Wichtig für die Praxis: Herstellerangaben zu λ-Werten sind nur eingeschränkt direkt vergleichbar, wenn Prüfverfahren, Temperatur, Probengeometrie oder Aushärtebedingungen unterschiedlich sind.
Praxistipp: λ-Wert versus thermischer Widerstand
Der λ-Wert ist eine Materialeigenschaft, sagt aber noch nichts über die tatsächliche Kühlwirkung im Bauteil aus. Entscheidend ist der thermische Widerstand Rth der gesamten Vergussschicht:
Rth = d / (λ × A)
Dabei ist d die Schichtdicke und A die Wärmeübertragungsfläche. Eine 5 mm dicke Schicht mit λ = 1 W/m·K kann Wärme schlechter ableiten als eine 2 mm dicke Schicht mit λ = 0,8 W/m·K. Optimieren Sie deshalb nicht nur das Material, sondern auch die Geometrie.
Zusätzlich zu λ, Schichtdicke und Fläche beeinflussen Grenzflächen, Lufteinschlüsse (Voids) und Geometrieeffekte den realen thermischen Widerstand. In der Praxis ist die effektive Wärmeabfuhr daher oft schlechter als eine ideale 1D-Rechnung vermuten lässt.
λ-Wert ist nicht alles
- Wärmeleitfähigkeit des Materials (λ)
- Schichtdicke der Vergussmasse
- Effektive Kontaktfläche
- Kontaktwiderstände an Grenzflächen
- Lufteinschlüsse / Blasen
- Bauteilgeometrie und Wärmeverteilung
- Temperaturprofil im Betrieb
Vergleich: Standardverguss vs. thermisch leitfähig
Die Unterschiede zwischen herkömmlichen und wärmeleitfähigen Vergussmassen gehen über den λ-Wert hinaus. Typische Eigenschaftsprofile im Vergleich:
| Eigenschaft | Standard-Vergussmasse | Thermisch leitfähige Vergussmasse |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit λ | 0,2 bis 0,3 W/m·K | 0,6 bis 3,0 W/m·K (typisch) |
| Füllstoffgehalt | 0 bis 20 Gew.-% | 40 bis 75 Gew.-% |
| Viskosität (ungehärtet) | 1.000 bis 10.000 mPa·s | 10.000 bis 80.000 mPa·s |
| Shore-Härte (ausgehärtet) | Shore A 30 bis 80 | Shore A 50 bis 90 oder Shore D 30 bis 60 |
| Dichte | 1,0 bis 1,2 g/cm³ | 1,8 bis 2,8 g/cm³ |
| Verarbeitung | Giessen, Dosieren, Vakuum optional | Homogenisierung wichtig, Entgasung oft empfohlen, angepasste Dosiertechnik sinnvoll |
| Preis (relativ) | niedriger | höher |
Der hohe Füllstoffgehalt wärmeleitfähiger Vergussmassen bringt Herausforderungen mit sich. Die Viskosität steigt deutlich, was Entlüftung und Dosierung erschwert. Die höhere Dichte erfordert oft angepasste Dosiersysteme. Je nach Formulierung und Lagerbedingungen kann zudem eine Entmischung oder Sedimentation auftreten.
Das Sedimentationsrisiko hängt stark von Viskosität, Thixotropie, Partikelverteilung und Lagerdauer ab. Nicht jedes System zeigt im Praxisfenster eine kritische Entmischung. Gründliches Homogenisieren vor der Verarbeitung bleibt trotzdem Pflicht.
Im Gegenzug erhält man eine deutlich verbesserte Wärmeableitung bei meist weiterhin guter elektrischer Isolationsfähigkeit, sofern elektrisch isolierende Füllstoffe verwendet werden.
Füllstoffe und ihre Wirkung
Die Wärmeleitfähigkeit einer Vergussmasse hängt direkt von Art, Menge, Form und Verteilung der eingesetzten Füllstoffe ab. Polymermatrices wie Epoxid, Silikon oder Polyurethan leiten Wärme von sich aus schlecht. Erst die Füllstoffe schaffen durchgehende Wärmeleitpfade.
Aluminiumoxid (Al2O3)
Aluminiumoxid ist einer der meistverwendeten Füllstoffe für wärmeleitfähige Vergussmassen. Es bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und ermöglicht bei hohen Füllgraden häufig λ-Werte im Bereich von etwa 0,8 bis 1,5 W/m·K. Die Partikel sind elektrisch isolierend, chemisch inert und in unterschiedlichen Korngrössen verfügbar. Durch Kombination verschiedener Partikelgrössen (bimodale oder multimodale Verteilungen) kann die Packungsdichte verbessert werden.
Bornitrid (BN)
Hexagonales Bornitrid wird oft als "weisses Graphit" bezeichnet und zeigt eine ausgeprägte thermische Anisotropie. Wärme wird entlang bestimmter Kristallebenen deutlich besser geleitet. Damit lassen sich je nach Formulierung höhere λ-Werte erreichen, häufig bei gleichzeitig günstigen elektrischen Eigenschaften für bestimmte Elektronik-Anwendungen.
Nachteile sind der deutlich höhere Materialpreis und eine anspruchsvollere Verarbeitung. Plättchenförmige Partikel können sich orientieren, was das reale Wärmeleitverhalten in verschiedenen Richtungen beeinflusst.
Aluminiumnitrid (AlN)
Aluminiumnitrid ist ein sehr leistungsfähiger keramischer Füllstoff mit hoher intrinsischer Wärmeleitfähigkeit. Vergussmassen mit AlN können hohe λ-Werte erreichen und bleiben gleichzeitig elektrisch isolierend. Limitierend sind meist die höheren Kosten und die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit in der Verarbeitungskette.
Metallische Füllstoffe (z. B. Silber, Aluminium)
Metallische Füllstoffe können die Wärmeleitfähigkeit stark erhöhen, führen jedoch häufig zu elektrischer Leitfähigkeit oder zumindest zu deutlich reduzierter Isolation. Solche Systeme sind für klassische isolierende Vergussanwendungen meist ungeeignet, können aber in Spezialanwendungen mit EMV- oder Massebezug sinnvoll sein.
Anwendungen
Thermisch leitfähige Vergussmassen kommen überall dort zum Einsatz, wo Elektronik gleichzeitig geschützt und gekühlt werden muss.
LED-Beleuchtung und Hochleistungs-LEDs
LED-Module reagieren empfindlich auf erhöhte Sperrschichttemperaturen. Diese beeinflusst Helligkeit, Farbort und Lebensdauer. Wärmeleitfähige Vergussmassen können LED-Baugruppen schützen und gleichzeitig den Wärmetransport zu Kühlstrukturen verbessern. Je nach Auslegung kommen flexible Silikon-Systeme oder härtere Harzsysteme zum Einsatz.
Leistungselektronik und Frequenzumrichter
IGBT-Module, MOSFET-Schaltungen und DC/DC-Wandler erzeugen im Betrieb relevante Verlustwärme. Thermisch leitfähige Vergussmassen helfen, Hotspots zu reduzieren und die Temperaturverteilung zu verbessern. Zusätzlich bieten sie Schutz gegen Feuchtigkeit, Schmutz und mechanische Belastungen.
E-Mobility: Batteriemanagementsysteme und Ladeelektronik
Automotive-Anwendungen stellen hohe Anforderungen an Temperaturbereich, Vibrationsfestigkeit, Medienbeständigkeit und Langzeitstabilität. Thermisch leitfähige Vergussmassen werden unter anderem in BMS-Elektronik, Sensorik und Ladeelektronik eingesetzt. Je nach Lastenheft können zusätzliche Anforderungen wie Flammschutzklassifizierungen oder spezielle Freigaben relevant sein.
Netzteile und Stromversorgungen
Schaltnetzteile vereinen hohe Bauteildichte mit dauerhafter thermischer Last. Wärmeleitfähiger Verguss kann die Wärme gezielt zu Metallgehäusen oder Grundplatten leiten und gleichzeitig die Baugruppe gegen Umwelteinflüsse schützen. Bei komplexen Geometrien sind Topfzeit, Fliessverhalten und Entgasung besonders wichtig.
Auswahlkriterien: Den richtigen λ-Wert bestimmen
Höhere Wärmeleitfähigkeit klingt zunächst immer besser. In der Praxis geht ein höherer λ-Wert jedoch oft mit höheren Kosten, schwierigerer Verarbeitung und teilweise höherer mechanischer Härte einher. Die Materialwahl sollte deshalb auf einer thermischen Betrachtung basieren.
-
Verlustleistung ermitteln
Welche thermische Leistung P (in Watt) muss abgeführt werden? Ausgangspunkt sind Datenblätter, Simulationen oder Messungen im Betrieb. -
Zulässige Temperaturdifferenz festlegen
Welche Temperaturdifferenz ΔT zwischen Bauteil und Kühlstruktur ist zulässig? Typisch sind je nach Anwendung einige zehn Kelvin. -
Maximalen thermischen Widerstand berechnen
Rth = ΔT / P (Einheit: K/W) -
Erforderlichen λ-Wert abschätzen
λ = d / (Rth × A)
Dabei ist d die Schichtdicke in Metern und A die Wärmeübertragungsfläche in Quadratmetern. Ein Sicherheitsfaktor (z. B. 1,3 bis 1,5) ist sinnvoll, um Toleranzen, Voids und Alterung zu berücksichtigen.
Beispielrechnung
Ein LED-Modul erzeugt 10 W Verlustwärme. Die Wärme soll über eine Vergussschicht von 5 mm Dicke und 50 cm² Fläche abgeführt werden. 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 ergibt sich λ ≥ 0,46 W/m·K
Eine Vergussmasse mit λ = 0,8 W/m·K wäre hier in vielen Fällen ausreichend dimensioniert, vorausgesetzt Kontaktqualität, Geometrie und Wärmeabfuhr im Gesamtsystem passen.
Weitere Auswahlkriterien
- Chemische Beständigkeit (z. B. gegen Kühlmittel, Öle, Reinigungsmedien)
- Temperaturbereich und Temperaturwechselbeständigkeit
- Shore-Härte und mechanische Entkopplung (Vibration, Schock)
- Elektrische Isolationskennwerte (z. B. Durchschlagfestigkeit, CTI je nach Anwendung)
- Verarbeitbarkeit (Topfzeit, Mischbarkeit, Entlüftung, Dosierbarkeit)
- Haftung auf relevanten Substraten
- CTE und Spannungsaufbau bei Temperaturwechseln
- Zulassungen und regulatorische Anforderungen (z. B. UL, REACH, RoHS, anwendungsspezifische Freigaben)
- Rework-Anforderungen / Demontierbarkeit
Verarbeitungstipps
Die hohe Viskosität und der hohe Füllstoffanteil thermisch leitfähiger Vergussmassen erfordern angepasste Verarbeitungstechniken. Selbst ein Material mit gutem λ-Wert kann in der Praxis schlecht performen, wenn es wegen Voids oder unvollständiger Benetzung nicht sauber verarbeitet wird.
Mischen und Homogenisieren
Füllstoffe können während Lagerung und Transport entmischen oder sedimentieren. Vor der Verarbeitung ist gründliches Homogenisieren wichtig. Bei 2-Komponenten-Systemen sollten beide Komponenten zunächst einzeln homogenisiert werden, bevor sie gemischt werden. Geeignete Rührtechnik verbessert die Füllstoffverteilung und reduziert Chargenschwankungen in der Verarbeitung.
Vakuumentgasung
Lufteinschlüsse verschlechtern die effektive Wärmeleitung stark, da Luft eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Entgasung nach dem Mischen kann die Vergussqualität deutlich verbessern. Bei grösseren Volumina oder kritischen Baugruppen kann auch das Vergiessen unter Vakuum sinnvoll sein.
Dosierung und Fliessverhalten
Wärmeleitfähige Systeme sind häufig deutlich viskoser als Standardvergussmassen. Für hochgefüllte Materialien sind angepasste Pumpen- und Dosiersysteme oft vorteilhaft. Bei komplexen Baugruppen sollte das Material so eingebracht werden, dass Luft kontrolliert entweichen kann. Eine moderate Temperierung kann das Fliessverhalten verbessern, verkürzt aber je nach System die Topfzeit.
Aushärtung
Bei reaktiven Harzsystemen kann insbesondere bei grösseren Vergussvolumina eine relevante Exothermie auftreten. Der hohe Füllstoffanteil beeinflusst dabei Wärmehaushalt und Reaktionsverlauf. Gegebenenfalls sind stufenweise Aushärtungen oder langsamere Systeme sinnvoll.
Silikonvergussmassen zeigen in der Regel eine deutlich geringere Exothermie als viele Epoxidsysteme, was bei grösseren Vergussvolumina prozessseitig vorteilhaft sein kann.
Nachbehandlung und Qualitätskontrolle
Nach der Aushärtung sollte die Vergussqualität überprüft werden, zum Beispiel durch Sichtprüfung auf Blasen, Härteprüfung, Gewichts- oder Dichtekontrolle sowie Thermografie unter Last zur Verifikation der Wärmeableitung. Bei sicherheitskritischen Anwendungen sind zusätzliche elektrische und mechanische Prüfungen sinnvoll.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Kann ich eine wärmeleitfähige Vergussmasse nachträglich wieder entfernen?
Das ist nur eingeschränkt möglich. Weiche Silikonsysteme lassen sich häufig mechanisch leichter entfernen als harte Epoxide. Voll ausgehärtete, hochgefüllte Systeme sind jedoch oft nur mit erheblichem Aufwand entfernbar und können Bauteile beschädigen. Wenn Rework vorgesehen ist, sollte das bereits bei der Materialauswahl berücksichtigt werden.
Wie stark verbessert ein höherer λ-Wert die Kühlung wirklich?
Ein höherer λ-Wert verbessert die Wärmeleitung im Material, aber nicht automatisch die gesamte Kühlleistung. Entscheidend sind zusätzlich Schichtdicke, Kontaktqualität, Luftblasen, Geometrie und die anschliessende Wärmeabfuhr im System. Massgeblich ist der thermische Widerstand des gesamten Wärmewegs.
Warum kostet wärmeleitfähige Vergussmasse deutlich mehr als Standardverguss?
Die Hauptkostentreiber sind thermisch leitfähige Füllstoffe und der höhere Formulierungs- sowie Verarbeitungsaufwand. Hohe Füllgrade erhöhen Viskosität und Dichte und stellen höhere Anforderungen an Misch-, Entgasungs- und Dosiertechnik.
Kann ich eine thermisch leitfähige Vergussmasse mit normaler Ausrüstung verarbeiten?
Für kleine Mengen und einfache Geometrien ist das teilweise möglich. Bei hochgefüllten Systemen sind gutes Homogenisieren, geeignete Dosiertechnik und möglichst Entgasung wichtig, um reproduzierbare Ergebnisse ohne Lufteinschlüsse zu erreichen.
Ist ein hoher λ-Wert immer die beste Wahl?
Nein. Höhere λ-Werte bedeuten oft höhere Kosten, höhere Viskosität und schwierigere Verarbeitung. In vielen Anwendungen ist ein sauber verarbeitetes System mit moderatem λ-Wert die wirtschaftlichere und technisch ausreichende Lösung.
Fazit: Thermische Performance messbar verbessern
Wärmeleitfähige Vergussmassen sind mehr als ein Upgrade. Sie ermöglichen Elektronikdesigns, die mit Standardverguss thermisch nicht zuverlässig funktionieren würden. Der λ-Wert beschreibt die Materialfähigkeit, die tatsächliche Kühlwirkung hängt jedoch vom gesamten thermischen Pfad ab.
Aluminiumoxid-gefüllte Systeme bieten für viele Anwendungen ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Bornitrid- und Aluminiumnitrid-basierte Systeme sind besonders interessant, wenn höhere thermische Performance oder spezielle elektrische Eigenschaften gefordert sind.
Die Verarbeitung erfordert mehr Sorgfalt als bei Standardverguss. Homogenisierung, Entgasung und angepasste Dosiertechnik sind entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse. Der Nutzen ist dafür messbar: niedrigere Bauteiltemperaturen, längere Lebensdauer, höhere Systemleistung und bessere Zuverlässigkeit.
Bei der Auswahl gilt: so viel Wärmeleitfähigkeit wie nötig, nicht so viel wie möglich. Eine saubere thermische Betrachtung verhindert Über-Engineering und hält Kosten im Rahmen.
Technische Unterstützung durch SILITECH
Sie möchten eine thermisch leitfähige Vergussmasse auswählen oder ein bestehendes System optimieren? SILITECH unterstützt Sie bei der Vorauswahl, Bemusterung und technischen Einordnung für Ihre Anwendung.
- Auswahl nach Temperatur, Mechanik und Medienbeständigkeit
- Einordnung von λ-Werten im Kontext der Anwendung
- Hinweise zur Verarbeitung (Mischen, Entgasung, Dosierung)
- Bemusterung für Tests und Validierung
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 Vergusssysteme für Elektronik, LED, E-Mobility und industrielle Anwendungen.
Kontakt & BeratungThermisch 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?
Inhaltsverzeichnis
- Warum Wärmeleitfähigkeit bei Vergussmassen entscheidend ist
- Was ist der λ-Wert (Lambda)?
- Praxistipp: λ-Wert versus thermischer Widerstand
- Vergleich: Standardverguss vs. thermisch leitfähig
- Füllstoffe und ihre Wirkung
- Anwendungen
- Auswahlkriterien: Den richtigen λ-Wert bestimmen
- Verarbeitungstipps
- Häufig gestellte Fragen (FAQ)
- Fazit
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, wirken thermisch jedoch meist eher isolierend.
Die Folgen unzureichender Wärmeableitung sind messbar. Eine höhere Betriebstemperatur beschleunigt die Alterung elektronischer Bauteile deutlich. Eine häufig verwendete Faustregel besagt, dass sich die Lebensdauer bei einer Temperaturerhöhung um 10 K in vielen Fällen etwa halbieren kann. Die genaue Auswirkung hängt jedoch vom Bauteil und vom dominanten Ausfallmechanismus ab.
Zusätzlich entstehen Hotspots, 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 kann Überhitzung zu Ausfällen oder Sicherheitsrisiken führen.
Wärmeleitfähige Vergussmassen lösen dieses Problem, indem sie thermisch leitfähige Füllstoffe enthalten. Diese bilden Wärmeleitpfade in der Polymermatrix und ermöglichen den Wärmetransport vom Bauteil in angrenzende Strukturen wie Gehäuse, Träger oder Kühlflächen. 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: ca. 390 W/m·K (sehr guter Wärmeleiter)
- Aluminium: ca. 235 W/m·K
- Standard-Epoxidharz: ca. 0,2 bis 0,3 W/m·K
- Standard-Silikon: ca. 0,15 bis 0,25 W/m·K
- Wärmeleitfähige Vergussmasse: ca. 0,5 bis 3,0 W/m·K (typischer Bereich)
- Hochleistungs-Wärmeleitpaste: je nach System deutlich höher
Die Wärmeleitfähigkeit wird mit standardisierten Prüfverfahren bestimmt. Je nach Materialsystem und Prüflabor kommen unterschiedliche Methoden zum Einsatz, zum Beispiel stationäre oder transiente Verfahren. Wichtig ist, dass λ-Werte nur im Kontext von Prüfmethodik, Temperatur, Probenzustand und Aushärtebedingungen sinnvoll vergleichbar sind.
Wichtig für die Praxis: Herstellerangaben zu λ-Werten sind nur eingeschränkt direkt vergleichbar, wenn Prüfverfahren, Temperatur, Probengeometrie oder Aushärtebedingungen unterschiedlich sind.
Praxistipp: λ-Wert versus thermischer Widerstand
Der λ-Wert ist eine Materialeigenschaft, sagt aber noch nichts über die tatsächliche Kühlwirkung im Bauteil aus. Entscheidend ist der thermische Widerstand Rth der gesamten Vergussschicht:
Rth = d / (λ × A)
Dabei ist d die Schichtdicke und A die Wärmeübertragungsfläche. Eine 5 mm dicke Schicht mit λ = 1 W/m·K kann Wärme schlechter ableiten als eine 2 mm dicke Schicht mit λ = 0,8 W/m·K. Optimieren Sie deshalb nicht nur das Material, sondern auch die Geometrie.
Zusätzlich zu λ, Schichtdicke und Fläche beeinflussen Grenzflächen, Lufteinschlüsse (Voids) und Geometrieeffekte den realen thermischen Widerstand. In der Praxis ist die effektive Wärmeabfuhr daher oft schlechter als eine ideale 1D-Rechnung vermuten lässt.
λ-Wert ist nicht alles
- Wärmeleitfähigkeit des Materials (λ)
- Schichtdicke der Vergussmasse
- Effektive Kontaktfläche
- Kontaktwiderstände an Grenzflächen
- Lufteinschlüsse / Blasen
- Bauteilgeometrie und Wärmeverteilung
- Temperaturprofil im Betrieb
Vergleich: Standardverguss vs. thermisch leitfähig
Die Unterschiede zwischen herkömmlichen und wärmeleitfähigen Vergussmassen gehen über den λ-Wert hinaus. Typische Eigenschaftsprofile im Vergleich:
| Eigenschaft | Standard-Vergussmasse | Thermisch leitfähige Vergussmasse |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit λ | 0,2 bis 0,3 W/m·K | 0,6 bis 3,0 W/m·K (typisch) |
| Füllstoffgehalt | 0 bis 20 Gew.-% | 40 bis 75 Gew.-% |
| Viskosität (ungehärtet) | 1.000 bis 10.000 mPa·s | 10.000 bis 80.000 mPa·s |
| Shore-Härte (ausgehärtet) | Shore A 30 bis 80 | Shore A 50 bis 90 oder Shore D 30 bis 60 |
| Dichte | 1,0 bis 1,2 g/cm³ | 1,8 bis 2,8 g/cm³ |
| Verarbeitung | Giessen, Dosieren, Vakuum optional | Homogenisierung wichtig, Entgasung oft empfohlen, angepasste Dosiertechnik sinnvoll |
| Preis (relativ) | niedriger | höher |
Der hohe Füllstoffgehalt wärmeleitfähiger Vergussmassen bringt Herausforderungen mit sich. Die Viskosität steigt deutlich, was Entlüftung und Dosierung erschwert. Die höhere Dichte erfordert oft angepasste Dosiersysteme. Je nach Formulierung und Lagerbedingungen kann zudem eine Entmischung oder Sedimentation auftreten.
Das Sedimentationsrisiko hängt stark von Viskosität, Thixotropie, Partikelverteilung und Lagerdauer ab. Nicht jedes System zeigt im Praxisfenster eine kritische Entmischung. Gründliches Homogenisieren vor der Verarbeitung bleibt trotzdem Pflicht.
Im Gegenzug erhält man eine deutlich verbesserte Wärmeableitung bei meist weiterhin guter elektrischer Isolationsfähigkeit, sofern elektrisch isolierende Füllstoffe verwendet werden.
Füllstoffe und ihre Wirkung
Die Wärmeleitfähigkeit einer Vergussmasse hängt direkt von Art, Menge, Form und Verteilung der eingesetzten Füllstoffe ab. Polymermatrices wie Epoxid, Silikon oder Polyurethan leiten Wärme von sich aus schlecht. Erst die Füllstoffe schaffen durchgehende Wärmeleitpfade.
Aluminiumoxid (Al2O3)
Aluminiumoxid ist einer der meistverwendeten Füllstoffe für wärmeleitfähige Vergussmassen. Es bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und ermöglicht bei hohen Füllgraden häufig λ-Werte im Bereich von etwa 0,8 bis 1,5 W/m·K. Die Partikel sind elektrisch isolierend, chemisch inert und in unterschiedlichen Korngrössen verfügbar. Durch Kombination verschiedener Partikelgrössen (bimodale oder multimodale Verteilungen) kann die Packungsdichte verbessert werden.
Bornitrid (BN)
Hexagonales Bornitrid wird oft als "weisses Graphit" bezeichnet und zeigt eine ausgeprägte thermische Anisotropie. Wärme wird entlang bestimmter Kristallebenen deutlich besser geleitet. Damit lassen sich je nach Formulierung höhere λ-Werte erreichen, häufig bei gleichzeitig günstigen elektrischen Eigenschaften für bestimmte Elektronik-Anwendungen.
Nachteile sind der deutlich höhere Materialpreis und eine anspruchsvollere Verarbeitung. Plättchenförmige Partikel können sich orientieren, was das reale Wärmeleitverhalten in verschiedenen Richtungen beeinflusst.
Aluminiumnitrid (AlN)
Aluminiumnitrid ist ein sehr leistungsfähiger keramischer Füllstoff mit hoher intrinsischer Wärmeleitfähigkeit. Vergussmassen mit AlN können hohe λ-Werte erreichen und bleiben gleichzeitig elektrisch isolierend. Limitierend sind meist die höheren Kosten und die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit in der Verarbeitungskette.
Metallische Füllstoffe (z. B. Silber, Aluminium)
Metallische Füllstoffe können die Wärmeleitfähigkeit stark erhöhen, führen jedoch häufig zu elektrischer Leitfähigkeit oder zumindest zu deutlich reduzierter Isolation. Solche Systeme sind für klassische isolierende Vergussanwendungen meist ungeeignet, können aber in Spezialanwendungen mit EMV- oder Massebezug sinnvoll sein.
Anwendungen
Thermisch leitfähige Vergussmassen kommen überall dort zum Einsatz, wo Elektronik gleichzeitig geschützt und gekühlt werden muss.
LED-Beleuchtung und Hochleistungs-LEDs
LED-Module reagieren empfindlich auf erhöhte Sperrschichttemperaturen. Diese beeinflusst Helligkeit, Farbort und Lebensdauer. Wärmeleitfähige Vergussmassen können LED-Baugruppen schützen und gleichzeitig den Wärmetransport zu Kühlstrukturen verbessern. Je nach Auslegung kommen flexible Silikon-Systeme oder härtere Harzsysteme zum Einsatz.
Leistungselektronik und Frequenzumrichter
IGBT-Module, MOSFET-Schaltungen und DC/DC-Wandler erzeugen im Betrieb relevante Verlustwärme. Thermisch leitfähige Vergussmassen helfen, Hotspots zu reduzieren und die Temperaturverteilung zu verbessern. Zusätzlich bieten sie Schutz gegen Feuchtigkeit, Schmutz und mechanische Belastungen.
E-Mobility: Batteriemanagementsysteme und Ladeelektronik
Automotive-Anwendungen stellen hohe Anforderungen an Temperaturbereich, Vibrationsfestigkeit, Medienbeständigkeit und Langzeitstabilität. Thermisch leitfähige Vergussmassen werden unter anderem in BMS-Elektronik, Sensorik und Ladeelektronik eingesetzt. Je nach Lastenheft können zusätzliche Anforderungen wie Flammschutzklassifizierungen oder spezielle Freigaben relevant sein.
Netzteile und Stromversorgungen
Schaltnetzteile vereinen hohe Bauteildichte mit dauerhafter thermischer Last. Wärmeleitfähiger Verguss kann die Wärme gezielt zu Metallgehäusen oder Grundplatten leiten und gleichzeitig die Baugruppe gegen Umwelteinflüsse schützen. Bei komplexen Geometrien sind Topfzeit, Fliessverhalten und Entgasung besonders wichtig.
Auswahlkriterien: Den richtigen λ-Wert bestimmen
Höhere Wärmeleitfähigkeit klingt zunächst immer besser. In der Praxis geht ein höherer λ-Wert jedoch oft mit höheren Kosten, schwierigerer Verarbeitung und teilweise höherer mechanischer Härte einher. Die Materialwahl sollte deshalb auf einer thermischen Betrachtung basieren.
-
Verlustleistung ermitteln
Welche thermische Leistung P (in Watt) muss abgeführt werden? Ausgangspunkt sind Datenblätter, Simulationen oder Messungen im Betrieb. -
Zulässige Temperaturdifferenz festlegen
Welche Temperaturdifferenz ΔT zwischen Bauteil und Kühlstruktur ist zulässig? Typisch sind je nach Anwendung einige zehn Kelvin. -
Maximalen thermischen Widerstand berechnen
Rth = ΔT / P (Einheit: K/W) -
Erforderlichen λ-Wert abschätzen
λ = d / (Rth × A)
Dabei ist d die Schichtdicke in Metern und A die Wärmeübertragungsfläche in Quadratmetern. Ein Sicherheitsfaktor (z. B. 1,3 bis 1,5) ist sinnvoll, um Toleranzen, Voids und Alterung zu berücksichtigen.
Beispielrechnung
Ein LED-Modul erzeugt 10 W Verlustwärme. Die Wärme soll über eine Vergussschicht von 5 mm Dicke und 50 cm² Fläche abgeführt werden. 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 ergibt sich λ ≥ 0,46 W/m·K
Eine Vergussmasse mit λ = 0,8 W/m·K wäre hier in vielen Fällen ausreichend dimensioniert, vorausgesetzt Kontaktqualität, Geometrie und Wärmeabfuhr im Gesamtsystem passen.
Weitere Auswahlkriterien
- Chemische Beständigkeit (z. B. gegen Kühlmittel, Öle, Reinigungsmedien)
- Temperaturbereich und Temperaturwechselbeständigkeit
- Shore-Härte und mechanische Entkopplung (Vibration, Schock)
- Elektrische Isolationskennwerte (z. B. Durchschlagfestigkeit, CTI je nach Anwendung)
- Verarbeitbarkeit (Topfzeit, Mischbarkeit, Entlüftung, Dosierbarkeit)
- Haftung auf relevanten Substraten
- CTE und Spannungsaufbau bei Temperaturwechseln
- Zulassungen und regulatorische Anforderungen (z. B. UL, REACH, RoHS, anwendungsspezifische Freigaben)
- Rework-Anforderungen / Demontierbarkeit
Verarbeitungstipps
Die hohe Viskosität und der hohe Füllstoffanteil thermisch leitfähiger Vergussmassen erfordern angepasste Verarbeitungstechniken. Selbst ein Material mit gutem λ-Wert kann in der Praxis schlecht performen, wenn es wegen Voids oder unvollständiger Benetzung nicht sauber verarbeitet wird.
Mischen und Homogenisieren
Füllstoffe können während Lagerung und Transport entmischen oder sedimentieren. Vor der Verarbeitung ist gründliches Homogenisieren wichtig. Bei 2-Komponenten-Systemen sollten beide Komponenten zunächst einzeln homogenisiert werden, bevor sie gemischt werden. Geeignete Rührtechnik verbessert die Füllstoffverteilung und reduziert Chargenschwankungen in der Verarbeitung.
Vakuumentgasung
Lufteinschlüsse verschlechtern die effektive Wärmeleitung stark, da Luft eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Entgasung nach dem Mischen kann die Vergussqualität deutlich verbessern. Bei grösseren Volumina oder kritischen Baugruppen kann auch das Vergiessen unter Vakuum sinnvoll sein.
Dosierung und Fliessverhalten
Wärmeleitfähige Systeme sind häufig deutlich viskoser als Standardvergussmassen. Für hochgefüllte Materialien sind angepasste Pumpen- und Dosiersysteme oft vorteilhaft. Bei komplexen Baugruppen sollte das Material so eingebracht werden, dass Luft kontrolliert entweichen kann. Eine moderate Temperierung kann das Fliessverhalten verbessern, verkürzt aber je nach System die Topfzeit.
Aushärtung
Bei reaktiven Harzsystemen kann insbesondere bei grösseren Vergussvolumina eine relevante Exothermie auftreten. Der hohe Füllstoffanteil beeinflusst dabei Wärmehaushalt und Reaktionsverlauf. Gegebenenfalls sind stufenweise Aushärtungen oder langsamere Systeme sinnvoll.
Silikonvergussmassen zeigen in der Regel eine deutlich geringere Exothermie als viele Epoxidsysteme, was bei grösseren Vergussvolumina prozessseitig vorteilhaft sein kann.
Nachbehandlung und Qualitätskontrolle
Nach der Aushärtung sollte die Vergussqualität überprüft werden, zum Beispiel durch Sichtprüfung auf Blasen, Härteprüfung, Gewichts- oder Dichtekontrolle sowie Thermografie unter Last zur Verifikation der Wärmeableitung. Bei sicherheitskritischen Anwendungen sind zusätzliche elektrische und mechanische Prüfungen sinnvoll.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Kann ich eine wärmeleitfähige Vergussmasse nachträglich wieder entfernen?
Das ist nur eingeschränkt möglich. Weiche Silikonsysteme lassen sich häufig mechanisch leichter entfernen als harte Epoxide. Voll ausgehärtete, hochgefüllte Systeme sind jedoch oft nur mit erheblichem Aufwand entfernbar und können Bauteile beschädigen. Wenn Rework vorgesehen ist, sollte das bereits bei der Materialauswahl berücksichtigt werden.
Wie stark verbessert ein höherer λ-Wert die Kühlung wirklich?
Ein höherer λ-Wert verbessert die Wärmeleitung im Material, aber nicht automatisch die gesamte Kühlleistung. Entscheidend sind zusätzlich Schichtdicke, Kontaktqualität, Luftblasen, Geometrie und die anschliessende Wärmeabfuhr im System. Massgeblich ist der thermische Widerstand des gesamten Wärmewegs.
Warum kostet wärmeleitfähige Vergussmasse deutlich mehr als Standardverguss?
Die Hauptkostentreiber sind thermisch leitfähige Füllstoffe und der höhere Formulierungs- sowie Verarbeitungsaufwand. Hohe Füllgrade erhöhen Viskosität und Dichte und stellen höhere Anforderungen an Misch-, Entgasungs- und Dosiertechnik.
Kann ich eine thermisch leitfähige Vergussmasse mit normaler Ausrüstung verarbeiten?
Für kleine Mengen und einfache Geometrien ist das teilweise möglich. Bei hochgefüllten Systemen sind gutes Homogenisieren, geeignete Dosiertechnik und möglichst Entgasung wichtig, um reproduzierbare Ergebnisse ohne Lufteinschlüsse zu erreichen.
Ist ein hoher λ-Wert immer die beste Wahl?
Nein. Höhere λ-Werte bedeuten oft höhere Kosten, höhere Viskosität und schwierigere Verarbeitung. In vielen Anwendungen ist ein sauber verarbeitetes System mit moderatem λ-Wert die wirtschaftlichere und technisch ausreichende Lösung.
Fazit: Thermische Performance messbar verbessern
Wärmeleitfähige Vergussmassen sind mehr als ein Upgrade. Sie ermöglichen Elektronikdesigns, die mit Standardverguss thermisch nicht zuverlässig funktionieren würden. Der λ-Wert beschreibt die Materialfähigkeit, die tatsächliche Kühlwirkung hängt jedoch vom gesamten thermischen Pfad ab.
Aluminiumoxid-gefüllte Systeme bieten für viele Anwendungen ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Bornitrid- und Aluminiumnitrid-basierte Systeme sind besonders interessant, wenn höhere thermische Performance oder spezielle elektrische Eigenschaften gefordert sind.
Die Verarbeitung erfordert mehr Sorgfalt als bei Standardverguss. Homogenisierung, Entgasung und angepasste Dosiertechnik sind entscheidend für reproduzierbare Ergebnisse. Der Nutzen ist dafür messbar: niedrigere Bauteiltemperaturen, längere Lebensdauer, höhere Systemleistung und bessere Zuverlässigkeit.
Bei der Auswahl gilt: so viel Wärmeleitfähigkeit wie nötig, nicht so viel wie möglich. Eine saubere thermische Betrachtung verhindert Über-Engineering und hält Kosten im Rahmen.
Technische Unterstützung durch SILITECH
Sie möchten eine thermisch leitfähige Vergussmasse auswählen oder ein bestehendes System optimieren? SILITECH unterstützt Sie bei der Vorauswahl, Bemusterung und technischen Einordnung für Ihre Anwendung.
- Auswahl nach Temperatur, Mechanik und Medienbeständigkeit
- Einordnung von λ-Werten im Kontext der Anwendung
- Hinweise zur Verarbeitung (Mischen, Entgasung, Dosierung)
- Bemusterung für Tests und Validierung
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 Vergusssysteme für Elektronik, LED, E-Mobility und industrielle Anwendungen.
Kontakt & Beratung