Entwicklung wärmeleitfähiger Harzformulierungen

Die vorliegende Dissertation mit dem Titel „Entwicklung wärmeleitfähiger Harzformulierungen“ untersucht die intrinsische Wärmeleitfähigkeit (WLF) von Epoxidharzen systematisch in Abhängigkeit von molekularer Struktur und Messmethode. Epoxidharze sind aufgrund ihrer hohen mechanischen Stabilität und elektrischen Isolationsfähigkeit für das Wärmemanagement elektronischer Bauteile von großer Bedeutung, ihre intrinsisch geringe WLF (typisch 0,2–0,3 W m⁻¹ K⁻¹) stellt jedoch eine zentrale Limitierung dar.

Zur methodischen Validierung wurden vier unabhängige Messverfahren eingesetzt: Laser-Flash-Analyse (LFA), Modified Transient Plane Source (MTPS), Time-Domain-Thermoreflectance (TD-TR) und Frequency-Domain Probe Beam Deflection (FD-PBD / D-Tops). Es zeigte sich, dass die ermittelten WLF-Werte stark von der Methode und der Probenpräparation abhängen; Abweichungen von 0,1 bis 0,15 W m⁻¹ K⁻¹ wurden beobachtet.

Strukturell konnte ein direkter, annähernd linearer Zusammenhang zwischen der Konzentration an Wasserstoffbrücken-bildenden X–H-Gruppen und der Wärmeleitfähigkeit festgestellt werden. O–H-Bindungen führen zu signifikant höheren Werten als N–H-Bindungen, was auf stärkere Wasserstoffbrückenbindungen und effizienteren Phononentransport zurückgeführt wird. Die Vernetzungsdichte beeinflusst die WLF moderat, während eine höhere Massendichte tendenziell positiv korreliert.

Berichte über angeblich flüssigkristalline, hochleitfähige Epoxidharze (z. B. TME4) konnten nicht bestätigt werden. SAXS- / WAXS-Analysen ergaben für alle untersuchten Systeme amorphe Strukturen; selbst optimierte TME4/DDS-Formulierungen erreichten lediglich 0,26–0,30 W m⁻¹ K⁻¹.

Insgesamt zeigt die Arbeit, dass die intrinsische Wärmeleitfähigkeit amorpher Epoxidnetzwerke durch chemische Modifikation nur begrenzt steigerbar ist und dass methodische Einflüsse häufig stärker sind als strukturelle. Die Ergebnisse liefern eine experimentell validierte Grundlage für zukünftige Strategien zur Entwicklung wärmeleitfähiger Polymernetzwerke.

This dissertation, entitled “Development of Thermally Conductive Resin Formulations”, presents a systematic investigation of the intrinsic thermal conductivity (TC) of epoxy resins as a function of molecular structure and measurement methodology. Epoxy thermosets are key materials for thermal management in electronic devices due to their high mechanical stability and electrical insulation, yet their intrinsically low TC (typically 0.2–0.3 W m⁻¹ K⁻¹) represents a fundamental limitation.

To ensure methodological reliability, four independent measurement techniques were employed: Laser Flash Analysis (LFA), Modified Transient Plane Source (MTPS), Time-Domain Thermoreflectance (TDTR), and Frequency-Domain Probe Beam Deflection (FD-PBD / D-Tops). The results revealed that absolute TC values depend strongly on the measurement technique and sample preparation, with deviations of up to 0.1–0.15 W m⁻¹ K⁻¹ observed between methods.

Structurally, a nearly linear relationship was identified between the concentration of hydrogen-bond-forming X–H groups and the thermal conductivity. O–H bonds resulted in significantly higher TC values than N–H bonds, attributed to stronger hydrogen bonding and more efficient phonon transport. The effect of crosslink density was moderate, while higher mass density correlated positively with TC.

Reports of highly conductive, “liquid-crystalline” epoxy resins (e.g., TME4) could not be confirmed. SAXS and WAXS analyses revealed no evidence of ordered or crystalline phases; all investigated networks were amorphous. Even optimized TME4/DDS formulations achieved only 0.26–0.30 W m⁻¹ K⁻¹, suggesting that previously reported high values likely stemmed from measurement artefacts.

Overall, this work demonstrates that the intrinsic thermal conductivity of amorphous epoxy networks can be increased only to a limited extent through molecular design, while methodological factors often have a stronger impact. The findings provide a validated basis for the future development of thermally conductive polymer networks.