Das Wärmemanagement ist in einer Vielzahl von Anwendungen von entscheidender Bedeutung, von Akkus für Elektrofahrzeuge bis hin zu Unterhaltungselektronik, wo eine effiziente Wärmeableitung unerlässlich ist. Zahlreiche Arten von Wärmeleitmaterialien (TIMs) spielen dabei eine zentrale Rolle. Dieser Artikel erörtert die wichtigsten Innovationen bei diesen Materialien und die Gründe für ihre Bedeutung.

IDTechEx hat eine wegweisende Marktstudie zu Wärmeleitmaterialien durchgeführt. Sie bietet eine detaillierte Analyse sowohl der Materialien selbst als auch eines breiten Anwendungsspektrums. Innovationen bei Wärmeleitmaterialien lassen sich in drei Hauptkategorien unterteilen: Anwendungen mit hohem Durchsatz, aufstrebende neue Märkte und neue Materialentwicklungen für verbesserte Leistung.

Märkte mit hohem Volumen

Nahezu alle großen Chemie- und Werkstoffunternehmen versuchen, sich im Bereich der Lieferkette für Elektrofahrzeuge Marktanteile zu sichern. Allerdings herrscht weiterhin große Unsicherheit, da sich Lieferketten erst entwickeln, Batteriepacks sich weiterentwickeln und die Produktion hochgefahren wird. Es gibt noch keine Konvergenz bei den Batteriepacks, und zahlreiche bahnbrechende Forschungsergebnisse erreichen den Markt, was sowohl eine Bedrohung als auch eine Chance für etablierte Anbieter darstellt.

Lithium-Ionen-Batterien werden den größten Markt (nach Volumen) für Wärmeleitmaterialien (TIMs) darstellen. TIMs spielen eine entscheidende Rolle im Wärmemanagement, indem sie Zellen oder Module mit einem Kühlkörper oder Wärmeverteiler verbinden. In diesem Bereich herrscht reges Marktwachstum. Die erforderliche Wärmeleitfähigkeit liegt bei etwa 3 W/mK, was mit keramikgefüllten Silikonen oder vergleichbaren Produkten relativ einfach zu erreichen ist. Silikone sind in der Automobilindustrie nicht weit verbreitet, und viele konkurrierende Materialien drängen auf den Markt. Innovationen konzentrieren sich hier daher nicht auf die Materialebene, sondern vielmehr auf die Erzielung hoher Leistung zu einem niedrigen Preis. IDTechEx wurde wiederholt darüber informiert, dass der Zielpreis bei 10 US-Dollar/kg liegt – ein äußerst niedriger Preis für TIMs.

IDTechEx geht davon aus, dass sich der Markt aufgrund dieser Nachfrage in den nächsten zehn Jahren von Füllkissen hin zu Füllstoffen verlagern wird. Füllstoffe lassen sich flüssig auftragen und ermöglichen so schnellere Auftragsraten, leicht anpassbare Verteilungsmuster und typischerweise dünnere Schichten. Herausforderungen bestehen in der gleichmäßigen Materialverteilung sowie in den Kosten der Ausrüstung, deren Betrieb, Wartung und Lebensdauer.

Neue Wachstumsmärkte:
Technologische Entwicklungen verändern die Welt rasant, und jede bedeutende Innovation kann oft zu neuen Hardware-Einsätzen und damit zu neuen TIM-Märkten mit spezifischen Anforderungen führen. Es gibt viele Beispiele, etwa Sensoren für autonome Fahrzeuge und Rechenzentren, aber eines der prominentesten ist der Aufstieg von 5G.

Typischerweise erfordern diese neuen Märkte keine drastische Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, sondern vielmehr eine iterative Optimierung bestehender Produkte und Rezepturen. Die 5G-Revolution wird einen grundlegenden Infrastrukturwandel mit sich bringen, von Basisstationen hin zum rasanten Aufkommen von Small Cells. IDTechEx hat eine Reihe branchenspezifischer Produkteinführungen von Unternehmen wie Dow, Laird und Henkel beobachtet, die sich im Allgemeinen im Leistungsbereich von 5–10 W/mK bewegen. Innovationen entstehen, um den Marktbedürfnissen gerecht zu werden, doch wichtiger als jegliche Materialverbesserungen werden Produktpositionierung, Beziehungsaufbau und -erweiterung sowie die Kosten im Zuge der Entwicklung dieser Lieferketten sein.

Neue Materialien für höhere Leistung:
In diesem Bereich finden die meisten wissenschaftlichen Innovationen statt. Die Entwicklungen hier äußern sich häufig in vorgeformten Pads, die auf sehr hohe Wärmeleitfähigkeiten von über 20 W/mK und einzigartige Eigenschaften (wie einen breiten Temperaturzyklusbereich) abzielen.

Oftmals finden sie zunächst in Nischenanwendungen wie Supercomputern und Satelliten Verwendung, bevor sie in den Massenmarkt vordringen, beispielsweise in fortschrittlicheren Unterhaltungselektronikgeräten.

IDTechEx hat diese Innovationen in sechs Kategorien unterteilt , die im Folgenden näher erläutert werden. Die Entwicklungen reichen von Startups bis hin zu den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen etablierter Unternehmen. – Kohlenstofffaser, Graphit und Nanokohlenstoffe: Besonders spannend ist die Verwendung von Kohlenstofffaser, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen. Diese Materialien weisen eine enorme Wärmeleitfähigkeit auf und sind zudem elektrisch leitfähig, was zusätzliche Anforderungen an die Konstruktion stellt. Zahlreiche Unternehmen sind in diesem Bereich aktiv, von Dexerials mit seinem kommerziell etablierten CF-Pad über Fujitsu R&D mit vielversprechenden CNT-Neuheiten bis hin zu jungen Unternehmen wie Carbice, die zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Fortschritte in der Keramik: Keramik spielt als wärmeleitendes dielektrisches Füllmaterial für Wärmeleitmaterialien (TIMs) eine grundlegende Rolle. Die Herausforderung besteht darin, die Leistung so weit zu steigern, dass Entwickler nicht mehr auf Kohlenstoff- oder Metallalternativen zurückgreifen müssen. Es gibt Verbesserungen an etablierten Produkten, beispielsweise von Showa Denko, doch die spannendste Innovation kommt von Bornitrid-Nanoröhren (BNNTs) und -Nanoschichten (BNNSs). Sie sind die isoelektronischen Pendants zu Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphen und gewinnen zunehmend an Bedeutung für den kommerziellen Einsatz, unter anderem durch Unternehmen wie BNNT LLC und BNNano.

Metallische Füllstoffe und Entwicklungen im Bereich flüssiger Metalle: Metalle sind bekannte Zusatzstoffe und haben sich mit klaren Vor- und Nachteilen einen beständigen Marktanteil gesichert. Innovationen treiben dieses Wachstum weiterhin voran, von der Verwendung alternativer Metalle, wie beispielsweise von Arieca, bis hin zu Entwicklungen flüssiger Metalle durch Unternehmen wie Indium.

- Anisotrope Ausrichtung der Packung: Dies knüpft an die drei vorherigen Beispiele an, konzentriert sich jedoch auf die Ausrichtung der Packungen zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in der Ebene. Ziel ist es, die benötigte Packungsmenge zu reduzieren, um die gleiche Leistung zu erzielen, oder die Wärmeleitfähigkeit in der z-Ebene zu erhöhen. Abhängig vom Packungsmaterial gibt es zahlreiche Möglichkeiten, dies zu erreichen, z. B. Beflockungsprozesse, frühe Wachstumsmechanismen (wie im Beispiel des VACNT-Waldes) oder fortgeschrittene Verfahren wie die von CondAlign verwendete Dielektrophorese. Es ist wichtig zu beachten, dass jedes ausgerichtete Element weiterhin der Kontaktwiderstandsbegrenzung zwischen dem Wärmeleitmaterial (TIM) und dem Substrat unterliegt.

Phasenwechselmaterialien: Diese bekannte Materialklasse bringt immer wieder neue Produkte auf den Markt. Es gab einige Weiterentwicklungen in ihrer Anwendung für Batteriezellengehäuse sowie für TIMs (Temperaturbildgebungsmaterialien). Ein Beispiel ist Rogers, das seine HeatSORB-Produktlinie erweitert, um die Marktnachfrage zu decken.

- Kühlkörperintegration: Hierbei werden eine Wärmeleitpaste (TIM, z-Ebene) und ein Kühlkörper (xy-Ebene) in einem einzigen Produkt integriert. Bei Bedarf können auch Isolierfolien (z. B. Aerogele) eingesetzt werden, um die Wärme gezielt abzuleiten. IDTechEx hat eine Gruppe von Unternehmen identifiziert, die solche integrierten Produkte anbieten, darunter auch junge Unternehmen wie HyMet und SHT Smart High Tech.