Kühlkörper mit Wärmeleitklebeband befestigen

Ob sich ein Kühlkörper mit Wärmeleitklebeband befestigen lässt, entscheiden drei Größen: der Kontakt zwischen den Fügeflächen, die Haftung unter Temperatur und die Last, die im Betrieb auf die Klebefuge wirkt. Die Wärmeleitfähigkeit steht dabei nicht an erster Stelle – obwohl sie in jedem Datenblatt zuerst steht.

Dieser Leitfaden ist für Entwicklung und Prozessplanung in der Serienfertigung geschrieben: LED-Module, Netzteile, Motorsteuerungen, Sensoren, kompakte Leistungsmodule. Sie finden eine Entscheidungstabelle, zwei Rechenbeispiele mit offengelegten Annahmen, die Angaben für ein Lastenheft und einen Prüfplan für das Muster. Jede Zahl aus einem Datenblatt steht mit ihrer Prüfbedingung da; jede Zahl, die eine Annahme ist, ist als Annahme gekennzeichnet. Wer die Materialgruppe zuerst einordnen will, findet den Überblick unter Wärmeleitkleber, Klebebänder und Schaumdichtungen.

Wann sich ein Kühlkörper mit Wärmeleitklebeband befestigen lässt – und wann nicht

Drei Bedingungen müssen zusammenkommen. Die Kontaktfläche ist groß genug, um die Verlustleistung flächig zu verteilen. Der Kühlkörper ist leicht, liegt flächig auf und ragt nicht so weit über die Klebefläche hinaus, dass daraus ein Hebel wird. Und niemand muss die Verbindung im Feld wieder lösen. Fehlt eine dieser Bedingungen, ist eine andere Befestigung meist die bessere Wahl – auch dann, wenn das Klebeband thermisch reichen würde.

Die Tabelle ist eine Vorauswahl, keine Freigabe. Sie entscheidet die Route, nicht den Typ. Was danach kommt, sind drei Messungen – und die fallen je nach Aufbau unterschiedlich aus, auch innerhalb derselben Route.

Für flächig aufliegende Kühlkörper auf Leiterplatten ist ein Wärmeleitklebeband der TIA-Serie die naheliegende Route; wo mehrere Zehntel Millimeter Spalt zu überbrücken sind oder der Kühlkörper mehrfach montiert wird, führt der Weg eher über Wärmeleitpads.

Wie man die Pad-Route auslegt – Spalt, Anpressdruck, Isolation – steht im Leitfaden zur Auswahl von Wärmeleitpads.

Drei Größen, drei Prüfungen – plus Isolation, falls gefordert

Die folgenden Abschnitte sind keine Checkliste zum Abhaken; sie behandeln drei Messgrößen, die sich getrennt prüfen lassen. Wer sie im Lastenheft benennt, bekommt Angebote, die man vergleichen kann.

Kontakt: Was das Klebeband überbrückt – und was nicht

Zwischen Kühlkörper und Bauteil liegt keine Fläche, sondern eine Schicht. Ihr Wärmewiderstand hat zwei Anteile:

R = d / (λ · A) + r_Kontakt / A

Der erste Term ist das Material, der zweite die Grenzfläche. Bei sehr dünnen Bändern – rund 0,05 mm bei λ 0,8 W/m·K – ist der zweite Term noch der größere; ab etwa 0,1 mm dominiert bei λ 0,8 das Material, im Rechenbeispiel unten bei 0,20 mm mit 0,40 K/W gegen 0,16 K/W. Der Kontaktanteil steht in keinem Datenblatt als eigener Wert, weil er vom Fügepartner abhängt.

Bild: Die Klebefuge liegt zwischen Bauteil und Kühlkörper; der Anpressdruck beim Fügen entscheidet, wie viel Fläche tatsächlich Kontakt hat.

Ein Klebeband ist 0,05 bis 0,51 mm dick. Es schließt keinen Spalt von 0,3 mm, und es ersetzt keine Wärmeleitpaste, die unter Druck in Rauheitstäler fließt. Was es tut: Es benetzt mikroskopische Rauheit, wenn der Anpressdruck beim Fügen hoch genug ist und die Flächen vorher sauber waren. Ein Acrylat-Haftkleber ist zäh, nicht flüssig – er braucht Druck und Zeit; Wärme ist kein Muss, beschleunigt aber die Benetzung (so nennen es die 3M-Anwendungshinweise), und sie ersetzt den Anpressdruck nicht.

Dazu kommt die Oberflächenenergie. Ein Haftkleber benetzt nur, was energetisch zu ihm passt. Acrylat klebt auf Metallen, vielen Keramiken und den meisten Leiterplattenlacken; auf PTFE, auf Silikon und auf vielen Polyolefinen bleibt die Benetzung schwach, und eine Vorbehandlung mit Corona, Plasma oder Primer ist die Alternative zur Wahl eines anderen Klebstoffs. Wenn Ihr Fügepartner zu dieser Gruppe gehört, klären Sie das vor der Typauswahl – nicht nach dem ersten Muster.

Bild: Luft unter dem Band wirkt als Isolierschicht. Rechts ist die Fuge vollständig benetzt, links nicht – der Wärmewiderstand unterscheidet sich um ein Vielfaches.

Steife Fügepartner sind selten plan. Deshalb ist Lufteinschluss der häufigste Kontaktfehler: Beim Auflegen wird Luft eingeschlossen, wenn das Band von der Mitte nach außen nicht angedrückt wird. Ein Roller oder eine Gummilippe, vom Zentrum nach außen geführt, ist wirksamer als höherer Druck an einer Stelle.

Rechenbeispiel: 5 W über 625 mm²

Annahmen: Kontaktfläche 25 mm × 25 mm (625 mm²), 5 W über diese Fläche, eindimensionale Wärmeleitung, kein Spreizwiderstand im Kühlkörper. Für den Kontaktwiderstand werden 1,0 K·cm²/W angesetzt – das ist eine Annahme, kein Messwert, in der Größenordnung trocken gefügter, leicht rauer Aluminiumflächen. Sie muss am Muster gemessen werden.

Zwei Dinge fallen auf. Der Sprung von 0,8 auf 1,6 W/m·K bringt bei 5 W rund ein Kelvin. Die Verkleinerung der Fläche von 625 auf 150 mm² kostet dagegen fast sechs Kelvin – und eine Lufteinschluss-Schicht kann den Kontaktwiderstand leicht verdoppeln; das kostet 0,8 K, fast so viel wie der ganze λ-Sprung von 1,0 K, und steht in keinem Datenblatt. Wer an der Wärmeleitfähigkeit feilt und die Fläche klein lässt, optimiert die falsche Zahl.

Die Typen und ihre Datenblattwerte

Alle drei sind Acrylat-Haftkleber. Die Durchschlagspannung liegt je nach Dicke zwischen 600 und 4.000 Vac nach ASTM D149 – das ist ein Wert am Prüfkörper, keine Eigenschaft Ihrer Baugruppe. Für TIA600 nennt das Datenblatt eine Brandschutzklasse, die UL 94 V-0 entspricht – eine Herstellerangabe, keine UL-Listung. Lassen Sie sich die Dicke, für die die Einstufung gilt, mit der Anfrage bestätigen – und ob für den bestellten Typ eine Listung vorliegt. Wo Familienübersicht und Typendatenblatt voneinander abweichen, gilt das Datenblatt der Bestellung; lassen Sie sich die Revision nennen, die Ihrer Anfrage zugrunde liegt. Die vollständigen Tabellen stehen auf den Typenseiten von TIA600 und TIA800AL mit 1,6 W/m·K.

Haftung: Schälfestigkeit ist eine Zahl mit Bedingungen

Schälfestigkeit (engl. Peel Adhesion) ist die Kraft, die man braucht, um ein Band im 90°- oder 180°-Winkel von einer Fläche zu ziehen – pro Einheit Breite. Die Datenblätter der TIA-Typen von Ziitek nennen mehr als 1.200 gf/inch sofort und mehr als 1.400 gf/inch nach 24 Stunden, gemessen auf Stahl, im 180°-Winkel, nach ASTM D3330. Umgerechnet sind 1.400 gf/inch etwa 0,54 N/mm: Eine 30 mm breite Kante trägt rund 16 N.

Diese Zahl sagt nichts über die Zeit. Deshalb gibt es die zweite Prüfung, und sie ist die wichtigere.

Haltekraft: der Versuch, der den Feldfall nachbildet

Beim Haltekraftversuch nach ASTM D3654 hängt eine definierte Last an einem Klebebandstück mit definierter Klebefläche auf einer senkrechten Unterlage, und gemessen wird, nach welcher Zeit die Verbindung abrutscht. Die TIA-Datenblätter nennen mehr als 48 Stunden bei 25 °C, für TIA800 und TIA800AL zusätzlich mehr als 48 Stunden bei 80 °C.

Was in dieser Zahl nicht steht: die Prüflast und die Klebefläche. Beides legt die Norm fest, nicht das Datenblatt. Für die Auslegung heißt das: Der Datenblattwert zeigt die Größenordnung, die Freigabe braucht den Versuch mit Ihrer Last, Ihrer Fläche und Ihrer Temperatur. Ein Wert von mehr als 48 Stunden bei 80 °C ist ein gutes Zeichen – ein Nachweis für Ihre 120 g auf 400 mm² ist er nicht.

Mit steigender Temperatur sinkt die Haltekraft eines Acrylats. Die Dauergebrauchsgrenze der TIA-Typen liegt bei 120 bis 125 °C; oberhalb davon verändert sich der Kleber selbst, nicht nur seine Haftung. Und Wärmealterung verändert ihn dauerhaft: Acrylat vernetzt nach und versprödet, die Scherfestigkeit kann dabei steigen, während die Fähigkeit sinkt, Wechselbeanspruchung abzubauen. Ein Band, das nach 1.000 Stunden bei 120 °C eine höhere Scherfestigkeit zeigt, kann trotzdem vibrationsempfindlicher geworden sein.

Rückbarkeit und Nacharbeit

Rückbarkeit ist der unterschätzte Punkt in der Auswahl. Ein Haftklebeband lässt sich lösen – mit einem Kunststoffschaber, einem gespannten Draht oder einem dünnen Spachtel, von einer Kante her. Reste bleiben, vor allem auf Aluminium, und gehen mit Isopropanol ab. Ein einmal abgezogenes Band ist kein Band mehr: Die Klebschicht ist verformt und nimmt keinen zweiten Fügepartner mehr an. Wer Nacharbeit im Prozess vorsieht, plant sie als „Band ab, Band neu“, nicht als „Band wieder an“.

Alterung: 85/85 und Temperaturwechsel

Zwei Prüfungen decken die meisten Feldfälle ab: feuchte Wärme bei 85 °C und 85 % relativer Feuchte nach IEC 60068-2-78 sowie der Temperaturwechsel nach IEC 60068-2-14. Beide werden mit denselben Messungen belegt wie der Neuzustand – Wärmeimpedanz am Stapel und Schälfestigkeit auf dem Originaluntergrund. Ohne Vorher-Nachher-Wert sagt eine solche Lagerung nichts: „1.000 Stunden bestanden“ heißt ohne Messgröße und Abbruchkriterium nur, dass das Muster noch da war.

Last: Schub, Schälzug und Wärmedehnung getrennt rechnen

Die meisten Ausfälle einer geklebten Kühlkörperverbindung sind keine Zugbrüche. Sie sind Scherung, Kriechen und Ablösen an der Kante. Drei Rechnungen zeigen, welche davon bei Ihrem Aufbau dominiert.

Schub aus dem Gewicht. Ein Kühlkörper von 45 g auf 30 mm × 30 mm Klebefläche (900 mm²) erzeugt im Stand 0,44 N und damit 0,49 kPa Schubspannung. Bei 10 g Beschleunigung – erreichbar in Werkzeugakkus, Fahrzeugbaugruppen und allem, was herunterfällt – sind es 4,9 kPa. Beides liegt weit unter der Festigkeit eines Acrylats. Die statische Schubkraft ist bei diesen Massen nicht der begrenzende Faktor.

Bild: Der Haltekraftversuch bildet den realen Lastfall nach – eine hängende Masse über Zeit – und nicht den einmaligen Abriss.

Schälzug an der Kante. 0,54 N/mm auf 30 mm Breite sind rund 16 N. Ein 45-g-Kühlkörper braucht diese Kraft nicht, um zu fallen; er braucht eine Kante, die sich langsam ablöst, und dann einen Hebel. Genau so entstehen die Berichte „nach einigen Monaten war der Kühlkörper wieder ab“.

Wärmedehnung. Aluminium dehnt sich mit etwa 23·10⁻⁶/K, ein FR4-Träger in der Ebene mit etwa 14 bis 17·10⁻⁶/K (Annahme für die Rechnung: 16·10⁻⁶/K). Auf 30 mm Länge und 100 K Temperaturhub sind das 21 µm Relativverschiebung. In einer 0,20 mm dicken Klebefuge entspricht das 10,5 % Scherung pro Zyklus. Der Haftkleber muss diese Bewegung mitgehen, ohne sich an der Kante abzulösen – und genau das prüft der Temperaturwechsel, nicht der einmalige Schälversuch.

Bei Vibration zählt nicht die Masse allein, sondern der Hebel. Ein Kühlkörper, der 20 mm über die Klebefläche hinausragt, schwingt und belastet die Kante mit einem Moment, das in keiner Datenblattzahl auftaucht. Ragt der Kühlkörper deutlich über die Klebefläche hinaus, ist eine zusätzliche mechanische Sicherung – Clip, Lasche, eine Schraube – die günstigere Lösung als ein stärkeres Band.

So steht die Anforderung im Lastenheft

Ein Angebot ist nur so gut wie die Anforderung. Diese acht Angaben entscheiden, ob zwei Angebote vergleichbar sind:

Mit vier Angaben – Kontaktfläche, Verlustleistung, zulässige Belastung der Fuge, Temperaturbereich – lässt sich die Auswahl schon eingrenzen. Wer sie in der Anfrage nennt, bekommt statt einer Typenliste eine Empfehlung mit Bedingungen: Anfrage mit Ihren Einsatzdaten.

Eingangsprüfung und Qualifikation am Muster

Der Prüfplan muss nicht aufwendig sein, aber jede Prüfung braucht ein Abbruchkriterium, bevor sie läuft. Ohne Kriterium endet die Musterfreigabe in einer Diskussion über Messwerte statt in einer Entscheidung.

Der Zugscherversuch liefert eine Flächenhaftung in MPa und ist für Klebstoffe aussagekräftig. Für dünne Haftklebebänder ist er nur begrenzt aussagekräftig: Die Schicht ist so dünn, dass das Ergebnis stark von der Probenvorbereitung abhängt. Für ein Klebeband ist der Haltekraftversuch die aussagekräftigere Prüfung, weil er den realen Lastfall nachbildet – eine Masse, die über Zeit hängt.

Prozess: Reinigen, Anpressen, Warten, Nacharbeiten

Vier Prozessschritte entscheiden darüber, ob das Datenblatt und die Realität übereinstimmen.

Reinigen. Isopropanol auf einem faserfreien Tuch, danach mehrere Minuten ablüften lassen. Kein denaturierter Alkohol und keine Glasreiniger – sie enthalten häufig ölige Anteile, die eine Trennschicht hinterlassen. Handschuhe, weil Fingerabdrücke die Oberflächenenergie lokal verändern. Fett, Ziehmittel und Flussmittelreste brauchen ein stärkeres Lösemittel, danach folgt ein letzter IPA-Wisch.

Anpressen. Vom Zentrum nach außen, mit Roller oder Gummilippe, damit keine Luft eingeschlossen wird. Druck und Dauer gehören in die Prozessvorgabe; ein universeller Wert existiert nicht, weil er von Fläche, Steifigkeit und Banddicke abhängt. Mehr Druck bedeutet bessere Benetzung – aber nur bis zu dem Punkt, an dem das Bauteil ihn verträgt.

Warten. Die Endfestigkeit stellt sich nicht sofort ein. Bei einem 3M-Band der 88xx-Serie steigt die 90°-Schälfestigkeit auf unbehandeltem Aluminium von 990 g pro 25,4 mm nach 15 Minuten auf 1.500 g pro 25,4 mm nach 72 Stunden, gemessen nach ASTM D3330. Wer den nächsten Prozessschritt nach zwei Minuten anschließt, prüft eine andere Verbindung als die, die später im Feld hält.

Ausgasen und Nacharbeit. Wenn Ausgasung kritisch ist – Optik, Vakuum, Reinraum –, fordern Sie TML und CVCM nach ASTM E595 für den konkreten Typ an; aus der Klebstoffchemie allein lässt sich das nicht ableiten. Für die Nacharbeit gilt: ablösen, Reste mit IPA entfernen, neu fügen. Ein Band, das einmal saß, ist verbraucht.

Soll die Fuge dauerhaft sein und einen Spalt füllen, ist ein wärmeleitfähiger Silikonklebstoff (RTV) die Alternative: Er härtet aus, füllt Unebenheiten und braucht keine Anpresszeit – dafür ist er praktisch nicht rückbar und braucht eine Aushärtezeit im Prozess.

Häufige Fragen

Wie fest hält ein Wärmeleitklebeband?

Die Datenblätter der TIA-Typen nennen mehr als 1.200 gf/inch Schälfestigkeit sofort und mehr als 1.400 gf/inch nach 24 Stunden auf Stahl (ASTM D3330) sowie mehr als 48 Stunden Haltekraft bei 25 °C, für TIA800 und TIA800AL auch bei 80 °C (ASTM D3654). Das sind Werte für definierte Prüfkörper. Wie viel eine konkrete Verbindung hält, hängt von Fläche, Untergrund, Anpressdruck und Temperatur ab und muss am Muster gemessen werden.

Lässt sich ein geklebter Kühlkörper wieder lösen?

Ja, aber nicht zerstörungsfrei. Das Band lässt sich von einer Kante her mit Kunststoffschaber oder Draht abheben; Klebstoffreste bleiben und gehen mit Isopropanol ab. Das abgezogene Band ist verbraucht – für eine erneute Montage wird ein neues Stück benötigt. Wer Nacharbeit plant, sollte sie deshalb als eigenen Prozessschritt mit Zeitbudget vorsehen.

Wie dick soll das Klebeband sein?

So dünn wie möglich, solange es die Rauheit noch benetzt. Bei planen, geschliffenen Flächen sind 0,10 bis 0,25 mm üblich; bei raueren Oberflächen hilft ein dickeres Band, weil es mehr Unebenheit aufnehmen kann – es kostet aber Wärmewiderstand. Bei 0,20 mm und 0,8 W/m·K sind das rund 0,40 K/W auf 625 mm²; bei 0,38 mm wären es etwa 0,76 K/W.

Reicht Klebeband für 5 W?

Bei 625 mm² Kontaktfläche, 0,20 mm Banddicke und 0,8 W/m·K entstehen über der Fuge etwa 2,8 K, wenn man 1,0 K·cm²/W Kontaktwiderstand annimmt. Bei 150 mm² wären es eher 7,6 K. Ob das reicht, entscheidet Ihre zulässige Hotspot-Temperatur – nicht das Datenblatt. Für höhere Wärmestromdichten ist eine andere Route meist wirtschaftlicher als ein höher gefülltes Band.

Warum fällt ein geklebter Kühlkörper nach Monaten ab?

Meistens nicht wegen zu geringer Klebkraft, sondern wegen Kriechen: Eine dauerhafte Last bei erhöhter Temperatur lässt den Haftkleber langsam nachfließen, und an der freien Kante beginnt sich die Klebefuge abzuschälen. Dazu kommt Wärmedehnung, die bei jedem Zyklus einige Prozent Scherung in die Fuge bringt. Wer das ausschließen will, prüft die Haltekraft bei Betriebstemperatur und sichert große oder hoch belastete Kühlkörper zusätzlich mechanisch.

Quellen

• ASTM D5470 – Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials
• ASTM D3330 – Peel Adhesion of Pressure-Sensitive Tape
• ASTM D3654 – Shear Adhesion of Pressure-Sensitive Tapes
• ASTM D1002 – Apparent Shear Strength of Single-Lap-Joint Adhesively Bonded Metal Specimens
• ASTM D149 – Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials
• IEC 60068-2-14:2023 – Prüfung N: Temperaturwechsel
• IEC 60068-2-78:2025 – Feuchte Wärme, konstant
• UL Solutions – Combustion (Fire) Tests for Plastics (UL 94)
• 3M – Thermally Conductive Adhesive Transfer Tape 88xx Series, Technical Data Sheet
• CMC Klebetechnik – Temperatur und Klebstoffe: Möglichkeiten und Grenzen