Wärmeleitpads auswählen: Spalt, Druck, Isolation

Ein Wärmeleitpad wird nicht über die Wärmeleitfähigkeit ausgewählt, sondern über drei Größen, die vorher feststehen: den Spalt, die Last, die das Bauteil tragen darf, und die Isolation, die im Fehlerfall gefordert ist. Ein dickeres Pad schließt größere Toleranzen und verlangt mehr Kraft; ein weicheres verteilt die Kraft besser und leitet schlechter; ein Pad mit hoher Durchschlagfestigkeit ersetzt keine Kriechstrecke. Wer die drei getrennt erfasst, bestellt ein Muster statt fünf.

Der Leitfaden gilt für die Serienfertigung – Leistungselektronik, Netzteile, Sensormodule, Kamerasysteme, Batterie- und Ladeelektronik –, nicht für den Nachrüstmarkt an Grafikkarten. Er beschreibt die Reihenfolge der Angaben, die Rechnung hinter dem Spalt, die vier Materialrouten und den Prüfplan. Er gehört zur Übersicht zu Wärmeleitmaterialien.

Spalt, Toleranz und Last gehören auf ein Blatt

Die erste Zahl der Auswahl ist nicht die Wärmeleitfähigkeit, sondern der Spalt. Er entsteht aus der Konstruktion: Bauteilhöhe, Kühlfläche des Kühlkörpers (die Fläche, auf der das Pad anliegt), Verzug, Führung und Verschraubung ergeben einen Nennwert und eine Toleranzkette. Erst wenn der engste und der weiteste Spalt bekannt sind, ist eine Pad-Dicke berechenbar.

Zwei Angaben werden regelmäßig vergessen. Die zulässige Flächenpressung steht selten im Bauteil-Datenblatt, weil sie eine Eigenschaft der Baugruppe ist: Deckel, Chip, Lötstellen und Gehäuse setzen die Grenze gemeinsam. Und die Rückbaubarkeit entscheidet über Stillstandskosten: Ein verklebtes Pad ist nach einer Fehlmontage Ausschuss.

Bild: Der Spalt entsteht zwischen Bauteiloberkante und Kühlfläche und wird von der Verschraubung über die ganze Fläche gepresst.

Rechenbeispiel: vom Nennspalt zum Kompressionsfenster

Ein konstruiertes Beispiel: Ein Bauteil mit 11,80 mm Höhe (±0,08 mm) steht einer Kühlfläche bei 13,00 mm (±0,12 mm) gegenüber; für Verzug und Führung kommen ±0,05 mm hinzu. Das ergibt 1,20 mm Nennspalt, 0,95 mm im engsten und 1,45 mm im weitesten Fall.

Die Tabelle zeigt, warum eine feste Prozentregel nicht trägt: Dasselbe Pad läuft über das Los von 3 % bis 37 %, und „20 bis 30 % Kompression“ beschreibt nur die Mitte. Ob 3 % am weiten Ende noch flächige Anlage ergeben und ob 37 % am engen Ende die zulässige Last überschreiten, steht in der Druck-Verformungs-Kurve des Typs und in der Lastgrenze der Baugruppe. Die Dicke wird also so gewählt, dass am weitesten Spalt noch Kontakt entsteht; ob der engste Spalt zulässig ist, entscheidet die Kraft.

Von der Flächenpressung zur Kraft

Druck ist das Ergebnis von Kraft und Fläche: p = F / A. Ein Bauteil von 30 mm × 30 mm hat 900 mm²; 30 psi entsprechen rund 0,21 N/mm², über diese Fläche also etwa 186 N.

Diese Kraft muss die Konstruktion aufbringen und das Bauteil aushalten. Aufgebracht wird sie über Schrauben, Klammern oder Gehäuse; wie viel Vorspannkraft eine Schraube bei gegebenem Drehmoment erzeugt, steht in der Montagevorgabe, nicht im Pad-Datenblatt. Ausgehalten wird sie von Deckel, Chip, Bonddraht und Lötstelle – wo diese Grenze niedrig liegt, hilft kein höherer λ-Wert, sondern ein weicheres Pad oder ein Anschlag.

Vier Materialrouten und wo sie sich unterscheiden

Vier Wege führen zwischen Bauteil und Kühlkörper; sie unterscheiden sich weniger in der Wärmeleitfähigkeit als darin, wer den Spalt schließt und wer die Kraft aufnimmt.

Die Spannen sind Orientierungswerte aus der Anwendungspraxis, keine Spezifikation. Die belastbaren Grenzen stehen im Datenblatt des jeweiligen Typs.

Für Baugruppen mit Toleranzen im Zehntelmillimeter führt der Weg meist zu einem Pad, weil es den Spalt ohne Dosierprozess schließt. Die Silikon-Wärmeleitpads von Ziitek decken diesen Fall ab, einschließlich der weichen Typen für empfindliche Bauteile. Wo Silikon unerwünscht ist – Optik, Beschichtung, Relais –, kommen nicht-silikonhaltige Wärmeleitpads in Frage; für unebene Spalte ein dosierbares Wärmeleitgel.

Nicht-Silikon: was der Wechsel wirklich ändert

Silikone geben bei Temperatur niedermolekulare Siloxane ab. In optischen Baugruppen können sie sich als Belag auf Linsen und Sensoren niederschlagen, in Relais und Schaltern Kontaktwiderstände erhöhen. Das ist der Grund für eine nicht-silikonhaltige Route – sie ändert aber weniger, als häufig angenommen wird.

Quelle: Ziitek-Datenblätter der beiden Typen. Die Impedanz gilt nur für das genannte Paar aus Dicke und Druck. Die Durchschlagfestigkeit steht in zwei Einheiten: 6060-11 gibt sie als Feldstärke in V/mm an, 15-02F als Wechselspannung eines 1-mm-Prüfkörpers in VAC – die beiden Zahlen sind nicht direkt vergleichbar.

Drei Punkte sind daran wichtig. Erstens sind 6060-11 und 15-02F zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten und Temperaturgrenzen; Zahlen des einen gelten nicht für den anderen. Zweitens gehört der TML-Wert von 0,30 % ausschließlich zu 15-02F – er belegt nicht, dass 6060-11 ebenso wenig ausgast. Drittens bedeutet „nicht silikon“ nicht „sauber“: Auch ein siloxanfreies Pad kann Partikel abgeben oder Abrieb erzeugen.

Das nicht-silikonhaltige Pad 6060-11 ist mit 6 W/m·K der leistungsfähigere der beiden Typen und wird dort eingesetzt, wo Siloxane ausgeschlossen sind und Wärme trotzdem über eine größere Strecke abgeführt werden muss. Auch der zweite Typ hat eine eigene Produktseite: Z-PASTER 100 15-02F mit 1,5 W/m·K, 65 Shore OO und einem TML von 0,30 %.

Bild: Pad, Gel und Paste lösen dieselbe Aufgabe auf drei Wegen – mit unterschiedlichem Spaltfenster und unterschiedlichem Prozessrisiko.

Wärme: λ, Dicke und Kontakt getrennt rechnen

Der Wärmewiderstand eines Stapels ist eine Summe, keine Einzelzahl:

R = (d / λ + r(Kontakt)) / A

mit Schichtdicke d, Wärmeleitfähigkeit λ, Kontaktwiderstand r und Fläche A. Der erste Term beschreibt das Material, der zweite die Übergänge an beiden Oberflächen. Beide hängen vom Druck ab: Die Dicke sinkt mit steigendem Druck, der Kontaktwiderstand fällt – bis das Material nicht weiter nachgibt.

Hier entsteht der häufigste Fehler. λ ist eine Materialeigenschaft, gemessen an einer Probe; die Wärmeimpedanz eines eingebauten Pads enthält zusätzlich beide Grenzflächen, die Rauheit der Anlageflächen und die reale Schichtdicke.

Was im Datenblatt steht – und unter welchen Bedingungen

Für die beiden weichen Hochleistungstypen nennt das Datenblatt folgende Werte:

Quelle: Ziitek-Datenblätter. Die Werte gelten je Typ; Wärmeleitfähigkeit und Durchschlagfestigkeit sind zwischen den Typen nicht austauschbar.

Die Schreibweise der Härte ist Teil der Bedingung. In den Ziitek-Datenblättern werden Shore-OO-Werte nach 3 und nach 30 Sekunden abgelesen, und der Wert fällt in dieser Zeit, weil das Material kriecht: „25/10“ heißt 25 Shore OO nach 3 Sekunden und 10 nach 30 Sekunden. Wer nur „25 Shore OO“ liest, vergleicht zwei Typen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. ASTM D2240 sieht die Ablesung nach 1 s vor; für kriechende Werkstoffe verlangt die Norm zusätzlich eine verzögerte Ablesung, die im Bericht ausgewiesen werden muss. Dass die Härte nach ASTM D2240 und die Dicke nach ASTM D374 gemessen wird, gehört in die Tabelle.

Kurven lesen statt Achsen ablesen

Beide Datenblätter enthalten Kurven zum Kompressionsverhältnis und zur Wärmeimpedanz, aufgetragen über dem Druck und mit Linien für 1, 3 und 5 mm. Sie zeigen, welche Kraft eine Kompression kostet und was sie an Impedanz bringt.

Sie sind aber Grafiken, keine Tabellen. Die Achsenmarken sind keine Messpunkte, und ein dazwischen geschätzter Wert ist keine Zahl, mit der man eine Freigabe begründet. Wer einen exakten Wert für einen bestimmten Druck braucht, liest ihn im Original-PDF oder lässt sich die Messdaten geben. In diesem Artikel steht deshalb keine Tabelle mit Kurvenwerten – sie wäre erfunden. Das Original-Datenblatt des TIF800TU ist dafür die richtige Quelle, die Tabellenwerte stehen auf der Seite TIF800TU mit 16 W/m·K.

Rechenbeispiel: was eine Impedanz in Kelvin bedeutet

Für 6060-11 nennt das Datenblatt 0,234 °C·in²/W – bei 1 mm Dicke und 30 psi. Umgerechnet sind das 1,51 K·cm²/W. Auf 9 cm² ergibt das 0,168 K/W; bei 5 W über diese Fläche sind es 0,84 K Temperaturdifferenz.

Der Wert liegt in derselben Größenordnung wie der reine Materialanteil bei 1 mm und 6 W/m·K: Bei 30 psi ist der Kontaktanteil klein, bei 10 psi wäre er es nicht. Deshalb ist die Zahl ohne ihre beiden Bedingungen nicht verwendbar. Sie beschreibt außerdem nur das Pad, nicht die Baugruppe.

Bild: Jede Grenzfläche im Stapel trägt zum Gesamtwiderstand bei; zusammengepresst sinkt vor allem der Anteil der Zwischenschicht.

Isolation: der Werkstoffkennwert ist keine Freigabe

Die Durchschlagfestigkeit in V/mm beschreibt, welche Feldstärke eine Probe definierter Dicke aushält, gemessen nach ASTM D149 oder IEC 60243-1. Sie ist ein Werkstoffkennwert: Aus 5500 V/mm und 1 mm Dicke folgt keine Freigabe für 5500 V Betriebsspannung – dazwischen liegen Sicherheitsabstände nach Produktnorm, Verschmutzungsgrad und Isolationskoordination.

Drei Dinge entscheiden in der Baugruppe mit, und keines steht im Pad-Datenblatt:

• Kanten und Übergänge. An Schnittkanten, Bohrungen und Schraubendurchführungen ist die Schicht dünner oder unterbrochen – dort schlägt es zuerst durch.
• Lufteinschlüsse. Ein nicht flächig anliegendes Pad bildet Hohlräume, in denen bei Hochvolt Teilentladungen zünden können.
• Kriech- und Luftstrecken. Ein Pad überbrückt den Spalt, nicht den Weg über die Oberfläche; die geforderten Abstände bleiben bestehen.

Die Prüfung gehört deshalb ans Muster: Isolationswiderstand und Spannungsprüfung mit der Prüfspannung der jeweiligen Produktnorm, bei Hochvolt zusätzlich Teilentladungsmessung nach IEC 60270. Erst dieses Ergebnis sagt, ob die gewählte Dicke reicht.

Fertigung und Montage: was die Auswahl nachträglich kippt

Ein Typ, der in der Auslegung passt, kann in der Fertigung scheitern:

• Konfektionierungstoleranz. Ein Stanzteil ist nicht maßhaltiger als sein Werkzeug; deckt der Zuschnitt die Bauteilfläche nicht vollständig ab, entsteht an den überstehenden Rändern kein Kontakt – dort fehlt die Anpressung, und die Last konzentriert sich auf die verbleibende Fläche.
• Klebstoff und Abziehfolie. Selbstklebende Ausführungen erleichtern die Montage und erschweren die Rückbaubarkeit – für Baugruppen mit Fehleranalyse ein Ausschlusskriterium.
• Anlageflächen. Planheit und Rauheit des Kühlkörpers entscheiden mit, wie viel Kontaktfläche entsteht; eine gefräste Fläche mit Riefen braucht ein weicheres Material als eine geschliffene.
• Montagereihenfolge. Über Kreuz und in Stufen angezogene Schrauben verteilen den Druck gleichmäßiger; ein Anschlag begrenzt die Kompression, wo die Toleranzkette sonst zu viel Kraft erzeugt. Das Setzverhalten nach Lastwechseln gehört in die Musterprüfung, nicht in eine Schätzung.

Prüfplan für das Muster

Die Auslegung endet nicht am Datenblatt. Ein Prüfplan für die Bemusterung muss die Risiken aus den Abschnitten oben abdecken, mehr nicht:

Legen Sie für jede Zeile vorab ein Abbruchkriterium fest: zulässige Hotspot-Temperatur, maximaler Impedanzanstieg nach den Wechseln, minimaler Isolationswiderstand, keine Ablösung im Querschnitt.

Bild: Im Prüfstand wird die Probe mit definierter Kraft gepresst und die Temperaturdifferenz über der Schicht gemessen – daraus entsteht die Impedanz.

Vier Fehler, die die Auswahl kippen

Die Prozentregel. „20 bis 30 % Kompression“ ist eine Faustformel für den mittleren Fall. Sie sagt nichts über den weiten Spalt im Los und nichts über die Kraft am engen.

λ als Auswahlkriterium. Zwei Typen mit 6 und 16 W/m·K unterscheiden sich eingebaut weniger, als der Faktor drei vermuten lässt, wenn der eine den Spalt nicht mehr schließt oder mehr Kraft braucht. Die Reihenfolge: Spalt, Last, Isolation, dann λ.

Das Pad als Isolationsfreigabe. Der Werkstoffkennwert in V/mm ist die Voraussetzung, nicht der Nachweis. Der Nachweis entsteht an der Baugruppe.

„Nicht silikon“ als Reinheitsversprechen. Siloxanfreiheit löst ein Problem und beseitigt nicht alle: Partikel, Öle und Abrieb bleiben möglich.

Welche Angaben ein Materialvorschlag braucht

Für einen belastbaren Vorschlag genügen vier Angaben aus Ihrer Zeichnung: der engste und der weiteste Spalt samt Toleranzursachen, die wirksame Fläche mit der zulässigen Flächenpressung, der Temperaturbereich mit dem Hotspot und die Isolationsanforderung aus der Produktnorm.

Mit diesen Daten lässt sich ein Typ benennen, statt eine Reihe von Mustern zu bestellen. Das Anwendungsteam von Ziitek stellt dazu Datenblattkurven und Muster für Ihren Prüfplan bereit – Anfrage mit Ihren Einsatzdaten.

Häufige Fragen

Wie stark darf ein Wärmeleitpad komprimiert werden?

Es gibt keinen für alle Typen gültigen Prozentwert. Zulässig ist, was die Druck-Verformungs-Kurve des Typs in der konkreten Dicke hergibt, ohne die zulässige Flächenpressung der Baugruppe zu überschreiten. Im gerechneten Beispiel läuft dasselbe Pad zwischen 3 % und 37 % Kompression.

Reicht ein Wärmeleitpad für die Isolation?

Es trägt dazu bei, ersetzt aber keinen Nachweis. Die Durchschlagfestigkeit des Werkstoffs ist an einer Probe definierter Dicke gemessen. In der Baugruppe entscheiden Kanten, Lufteinschlüsse, Schraubendurchführungen und die geforderten Kriech- und Luftstrecken mit. Die Freigabe entsteht durch Spannungsprüfung und Isolationswiderstandsmessung am Muster.

Wann brauche ich ein nicht-silikonhaltiges Pad?

Wenn Siloxane im Prozess oder im Feld stören: optische Baugruppen mit Linsen und Sensoren, Relais und Schalter, Beschichtungsprozesse, in denen Silikone als Störstoff gelten. Der Wechsel beseitigt dieses Risiko, belegt aber nicht, dass das Pad keine Partikel oder Öle abgibt; Kennwerte lassen sich nicht zwischen Typen übertragen.

Pad, Wärmeleitgel oder Paste?

Das entscheidet der Spalt. Ein Pad schließt Spalte von etwa 0,5 bis 5 mm und gleicht Toleranzen aus, ohne Dosierprozess. Ein Gel füllt auch unebene und sehr flache Spalte bei geringem Druck, verlangt aber Dosiertechnik und Aushärtung. Paste ist die Lösung für sehr dünne Schichten unter hohem Druck.

Wie prüfe ich die Wärmeleitfähigkeit nach?

Gar nicht als Werkstoffkennwert, sondern als Impedanz am Stapel. Die stationäre Messung nach ASTM D5470 liefert den Wärmewiderstand der Probe einschließlich der Grenzflächen unter definiertem Druck; sie ist näher an der Anwendung als eine λ-Messung nach ISO 22007. Für die Freigabe zählt der Wert am eigenen Aufbau.

Quellen

• ASTM D5470 – Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials
• ASTM D2240 – Rubber Property, Durometer Hardness
• ASTM D374 – Thickness of Solid Electrical Insulation
• ASTM D149 – Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength
• IEC 60243-1:2013 – Electric strength of insulating materials, test methods
• IEC 60068-2-14:2023 – Prüfung N: Temperaturwechsel
• IEC 60068-2-78:2025 – Feuchte Wärme, konstant
• IEC 60270:2025 – Teilentladungsmessung