Hebei Messi Biology Co., Ltd. weist darauf hin, dass der Begriff „Magnesiumoxid in Elektronikqualität“ weit gefasst und etwas unpräzise ist; im Allgemeinen ist eine Reinheit von über 99,99 % (4N) erforderlich. Aufgrund dieser hohen Reinheit und der hervorragenden physikalisch-chemischen Eigenschaften findet das Material breite Anwendung in der Elektronikindustrie. Während unterschiedliche Einsatzgebiete spezifische Anforderungen an Magnesiumoxid-Pulver stellen, treten vor allem plättchenförmige und sphärische Varianten auf und konkurrieren im Bereich der wärmeleitfähigen Füllstoffe oft direkt miteinander. Welche Form schneidet besser ab, oder bieten beide jeweils ihre eigenen, spezifischen Vorteile?
Mit dem Aufkommen von 5G und Smart-Technologien werden elektronische Geräte zunehmend miniaturisiert und stärker integriert. Infolgedessen ist die Wärmeentwicklung zu einem kritischen Problem geworden, was den Bedarf an einer effizienten Wärmeableitung erhöht. Sogenannte Thermal Interface Materials (TIMs) – Materialien, die den Wärmeübergang zwischen Chips und Kühlkörpern gewährleisten – benötigen oft wärmeleitfähige Füllstoffe zur Steigerung ihrer Wärmeleitfähigkeit, da die Basismaterialien an natürliche Grenzen stoßen. Dank ihrer hohen Reinheit werden Materialien in Elektronikqualität häufig eingesetzt, insbesondere bei der Herstellung von Präzisionselektronik und Komponenten für Branchen mit strengen Reinheitsanforderungen, wie etwa der Halbleiter- und Mikrochipfertigung. Magnesiumoxid (MgO) ist ein bevorzugter wärmeleitfähiger und elektrisch isolierender Füllstoff, da es reichlich verfügbar und chemisch stabil ist, gute Isoliereigenschaften aufweist und kostengünstig ist. Es bietet ein hervorragendes Verhältnis von Leistung und Preis. MgO besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit; seine kristallinen Strukturen lassen sich hauptsächlich in zwei Kategorien einteilen: plättchenförmig und sphärisch.
Sphärisches Magnesiumoxid: Weist eine regelmäßige, kugelförmige Struktur auf; die Partikelgrößen liegen typischerweise im Bereich von einigen Mikrometern bis zu mehreren zehn Mikrometern.
Plättchenförmiges Magnesiumoxid: Weist eine zweidimensionale Plättchenstruktur auf (Aspektverhältnis größer als 10:1); die Partikelgrößen liegen typischerweise zwischen einigen Mikrometern und mehreren zehn Mikrometern, bei einer Dicke von einigen hundert Nanometern.
Obwohl wärmeleitfähige Füllstoffe in Form von 2D-Plättchen oft eine höhere intrinsische Wärmeleitfähigkeit aufweisen als sphärisches Magnesiumoxid, ergeben sich bei der Herstellung wärmeleitfähiger Verbundwerkstoffe Herausforderungen. Aufgrund von Faktoren wie äußeren Verarbeitungskräften neigen 2D-Plättchenmaterialien dazu, sich innerhalb der Folienebene auszurichten, anstatt senkrecht dazu zu stehen. Dies führt zu einer deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit in der Ebene (in-plane) im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Ebene (through-plane bzw. out-of-plane). Die Morphologie des Magnesiumoxids beeinflusst das Füllverhalten maßgeblich. Bei thermischen Schnittstellenmaterialien (Thermal Interface Materials) ist eine gleichmäßige Verteilung der Füllstoffe in der Polymermatrix erforderlich; eine ungleichmäßige Verteilung führt zu Materialfehlern und beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit. Zudem steigt mit zunehmendem Füllstoffgehalt die Viskosität des Systems, was die Dispergierung der Füllstoffe schließlich behindert. Partikel mit regelmäßigerer Form weisen eine geringere spezifische Oberfläche auf, was zu weniger Reibung mit der Matrix und einer leichteren Dispergierung führt; dies bewirkt eine niedrigere Systemviskosität und ermöglicht einen höheren Füllstoffgehalt, wodurch die Ausbildung eines wärmeleitenden Netzwerks begünstigt und die Wärmeleitfähigkeit des Materials gesteigert wird.
Bei geringem Füllstoffgehalt wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs nur minimal durch die Menge an Magnesiumoxid beeinflusst; mit zunehmendem Füllgrad steigt die Wärmeleitfähigkeit jedoch rasch an. Dies liegt daran, dass sich bei niedrigen Füllgraden kein durchgehendes, dichtes Wärmeleitpfad-Netzwerk ausbildet, was zu einem langsamen Anstieg der Wärmeleitfähigkeit führt. Mit steigendem Füllgrad vervielfachen sich die Kontaktpunkte zwischen den Magnesiumoxid-Partikeln, wodurch die Dichte der Wärmeleitpfade zunimmt und der Wärmeübergang beschleunigt wird. Zwar könnte eine weitere Erhöhung des Füllstoffgehalts die Wärmeleitfähigkeit theoretisch steigern, doch ein zu geringer Anteil der Polymermatrix verringert die Viskosität und erschwert die Formgebung.
Plättchenförmiges und kugelförmiges Magnesiumoxid weisen jeweils spezifische strukturelle Eigenschaften auf, die beim Einsatz als wärmeleitende Füllstoffe bestimmte Vor- und Nachteile mit sich bringen.
Bei Verwendung von kugelförmigem Magnesiumoxid zeichnet sich das resultierende thermische Schnittstellenmaterial durch hervorragende Flexibilität und mechanische Eigenschaften aus; allerdings neigt es im Vergleich zur plättchenförmigen Variante weniger stark zur Ausbildung eines internen Wärmeleitnetzwerks innerhalb der Polymermatrix. Im Gegensatz dazu gehen plättchenförmige Magnesiumoxid-Partikel leichter miteinander in Kontakt und bilden so ein effektives Wärmeleitnetzwerk; sie ermöglichen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Wärmewiderstand. Zudem lassen sich Schwindung und Wärmeausdehnungskoeffizient anpassen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit des Materials effektiv gesteigert wird. Da die Ausbildung eines effektiven Wärmeleitnetzwerks entscheidend für einen raschen Anstieg der Wärmeleitfähigkeit ist, ist plättchenförmiges Magnesiumoxid kugelförmigem Magnesiumoxid in dieser Hinsicht bei gleichem Füllgrad überlegen. Allerdings weist die resultierende Mischung eine höhere Viskosität auf, was die Flexibilität der Polymermatrix beeinträchtigen kann.
Betrachtet man ausschließlich die Effizienz der Wärmeleitung, so ist plättchenförmiges Magnesiumoxid zweifellos die optimale Wahl; bei der Herstellung müssen jedoch auch die Anforderungen der praktischen Anwendung berücksichtigt werden. Bei der Verwendung als wärmeleitender Füllstoff stellt plättchenförmiges Magnesiumoxid hohe Anforderungen an den Formgebungsprozess; es neigt dazu, sich innerhalb des Verbundsystems abzusetzen, was zu einer Schichtbildung – einer Trennung des Materials in ausgeprägte obere und untere Schichten – sowie zu einer deutlichen Verringerung der Homogenität führt. Dies ist der Hauptgrund für seinen vergleichsweise begrenzten Einsatz in Materialien für das Wärmemanagement (Thermal Interface Materials).
Im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit weisen sphärische und plättchenförmige Magnesiumoxide in Elektronikqualität jeweils spezifische Leistungseigenschaften auf; keine der beiden Formen lässt sich allein anhand eines einzelnen Kriteriums als überlegen oder unterlegen einstufen. In der Praxis bieten beide Varianten jeweils einzigartige Vorteile. Wie sich ihre strukturellen Eigenschaften optimal nutzen lassen, um ihren Mehrwert zu maximieren, ist ein Thema, das weiterer Untersuchungen bedarf.