Bei aktuellen Fahrzeugen mit umfangreichen Infotainment-Optionen sowie Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) oder Batteriesystemen, die die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ermöglichen, gibt es zahlreiche automobile Anwendungsmöglichkeiten für Thermal Interface Materials (TIMs). Das Wärmemanagement ist für die einwandfreie Funktion all dieser Systeme unerlässlich – sei es zur Vermeidung einer Überhitzung der Batterie, zum Schutz vor Kamerafehlfunktionen oder zum Komfort in der Kabine. Neben dem Lambdawert gilt es bei der Auswahl des richtigen TIMs auch Grenzflächenbeständigkeit, Benetzungseigenschaften, Haftfähigkeit, Nacharbeit und Zuverlässigkeit sowie Basischemie mit in die Analyse einzubeziehen.

Thermal Interface Material: Funktion und Form

Bild 1: TIMs sorgen für die Wärmeübertragung von der Quelle auf den Kühlkörper. Die möglichst vollständige Ausfüllung der mikroskopischen Abweichungen auf beiden Seiten ermöglicht eine maximale Übertragungseffizienz.

Bild 1: TIMs sorgen für die Wärmeübertragung von der Quelle auf den Kühlkörper. Henkel

Die von einer elektronischen Komponente erzeugte Wärme kann die Zuverlässigkeit und Leistung eines Systems beeinträchtigen. Um sich vor dieser Möglichkeit zu schützen, nutzen Elektronikentwickler und Systemingenieure TIMs, die die Wärme effektiv übertragen, indem sie das wärmeerzeugende Gerät mit einem Kühlkörper verbinden. Der Wirkungsgrad dieser Wärmeübertragung bestimmt den Einfluss auf die Lebensdauer des Bauteils oder Systems. Sowohl das Bauteil als auch der Kühlkörper weisen Oberflächenstrukturen und Rauheitseigenschaften auf, die mikroskopische Abweichungen und unebene Ebenen auf jeder Seite aufweisen. Die Minimierung der Hohlräume oder Lufteinschlüsse durch Befüllen mit wärmeleitfähigem Material senkt den Wärmewiderstand und ermöglicht eine effizientere Wärmeabfuhr (Bild 1).

Bild 2a: TIMs sind in einer Vielzahl von Formaten erhältlich, zum Beispiel als Thick Gap Pad (hier)...

Bild 2a: TIMs sind in einer Vielzahl von Formaten erhältlich, zum Beispiel als Thick Gap Pad (hier)… Henkel

Das Erreichen der Ziele des Wärmemanagements lässt sich mit einer Vielzahl von TIMs verschiedener Formate, einschließlich Pads, Folien, Klebstoffen, Fetten und Gelen, erreichen (Bild 2a und 2b). Für jede spezifische Anwendung sollten die Toleranzen zwischen den beiden Oberflächen Berücksichtigung finden, um das Material auszuwählen, das diese Toleranzen am besten ausgleicht. Zwei relativ flache Oberflächen, zum Beispiel eine Leiterplatte (PCB) und ein Automobilgehäuse, können eine Oberflächentoleranz von +/- 0,1 mm aufweisen, wobei in diesem Fall ein dünnes TIM-Pad die geeignete Wahl wäre. Andererseits ist eine größere Toleranz von beispielsweise 0,1 mm bis 3,0 mm eine recht dramatische Abweichung und würde wahrscheinlich einen flüssigen TIM erfordern, um diesen Unterschied angemessen zu managen.

Auswahl des richtigen Materials

Bild 2b: ... oder als Liquid Gap Filler (hier).

Bild 2b: … oder auch als Liquid Gap Filler (hier). Henkel

Die genaue Betrachtung der Anwendungsanforderungen ist die Grundlage für die Materialauswahl im Bereich des Wärmemanagements. Es sind drei Kern-TIM-Merkmale zu berücksichtigen, nämlich die physikalische Form, das Harzsystem und der Füllstoffgehalt. Um diese drei zentralen Merkmale herum liegen verschiedene Werte wie Haftung, Verarbeitungszeit, Haltbarkeit und Nacharbeitsfähigkeit (Bild 3).

Bezüglich der physischen Form sind bei der Entscheidung, welches TIM-Format für die Aufgabe am günstigsten ist, unter anderem die Materialeinlegemethode, die Sicherheitsanforderungen und der Automatisierungsgrad zu berücksichtigen, den jedes Medium erfüllen kann. Diese Aspekte sind wichtig, da sie einen Einfluss auf die Fertigungseffizienz, die dielektrische Sicherheit und den Wirkungsgrad des Materials haben.

Die Grundchemie – das Harzsystem – eines TIMs ist von entscheidender Bedeutung. Hier gilt es, die Betriebstemperatur der Anwendung, die erforderliche Flexibilität (Modul), die auf der Grundlage der induzierten Belastung erforderlich ist, die Beständigkeit gegen mögliche Einwirkungen anderer Chemikalien im Fahrzeugsystem und deren Haftung auf die vorgesehene Oberfläche zu berücksichtigen. Andere Faktoren wie der Einfluss der Silikonausgasung auf bestimmte ADAS-Kamerasysteme und das Potenzial für Interferenzen bei Karosserielacken sind ebenfalls wichtige Kriterien. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften bestimmter Harze, die zum Aufbau von Wärmeleitmaterialien zum Einsatz kommen.

Bild 3: Die Bausteine der TIM-Auswahl. Anwendungsspezifische Besonderheiten bestimmen den Auswahlprozess.

Bild 3: Die Bausteine der TIM-Auswahl. Anwendungsspezifische Besonderheiten bestimmen den Auswahlprozess. Henkel

Die Füllstofftechnologie in einem TIM-Material ist grundlegend für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus hat der Füllstoffgehalt einen direkten Einfluss auf die Dicke des Materials, sein Gewicht, seine Anpassungsfähigkeit an automatisierte Prozesse und auf seine Kosten.

Wie die anderen Kernmerkmale hat auch eine Entscheidung über die Füllstofftechnologie Auswirkungen auf eine andere Betrachtung. So definiert beispielsweise die Dicke des TIM seinen Isolationswert und seinen thermischen Widerstand. Es kann ein höher wärmeleitfähiges Material erforderlich sein, sodass ein Ausgleich zwischen Wärmewiderstand und dielektrischen Anforderungen erforderlich ist. Wichtig für Automobilsysteme ist, dass der Füllstoffgehalt auch das Gewicht beeinflusst, was besonders bei Elektrofahrzeugen (EVs) entscheidend ist, bei denen eine lange Reichweite mit einer einzigen Ladung ein Wettbewerbsvorteil ist. Bei der Entscheidung über die Materialbilanz zwischen Wärmewiderstand und Toleranz gilt grundsätzlich: so dünn wie möglich, so dick wie nötig. Bild 4 zeigt eine Bewertungsmatrix auf Basis der oben genannten Eingaben.

TIMs in Fahrzeugsystemen

Tabelle 1: Überlegungen zur Basisharztechnologie für die TIM-Auswahl.

Tabelle 1: Überlegungen zur Basisharztechnologie für die TIM-Auswahl. Henkel

Thermische-Interface-Materialien sind in heutigen Automobilen nicht mehr wegzudenken und ermöglichen erst die Leistung mehrerer Systeme in der Kabine und unter der Motorhaube. Überall dort, wo es erforderlich ist die Wärme für eine zuverlässige elektrische Leistung zu steuern, sind Thermomanagementlösungen zu integrieren. Beispiele sind ADAS-Radars und -Lidars, Motorsteuerungssysteme, On-Board-Ladegeräte (Bild 5), und Batterie Systeme. Mit zunehmender Anzahl von elektronischen Komponenten gewinnen auch die Materialien für das Wärmemanagement immer mehr an Bedeutung. Jede Anwendung erfordert eine detaillierte Analyse der Anforderungen und Leistungserwartungen, um die optimale thermische Lösung für eine langfristige Zuverlässigkeit zu finden.

Praxisbeispiel: Li-Ionen-Akku

Ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement innerhalb eines EV-Batteriesystems ist nicht nur für eine optimale Leistung und eine längere Lebensdauer der Batterie von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Sicherheit der Fahrgäste, da sich so ein thermisches Auslaufen verhindern lässt. Während des thermischen Ausreißens steigt die unkontrollierte Betriebswärme auf ein Niveau, das katastrophale Auswirkungen haben kann, nämlich vom kompletten Systemausfall bis hin zum Brand.

Bild 4: Eine charakteristische Matrix kann helfen, Anforderungen und Materialfähigkeiten zu visualisieren.

Bild 4: Eine charakteristische Matrix kann helfen, Anforderungen und Materialfähigkeiten zu visualisieren. Henkel

Da es innerhalb eines Batteriesystems mehrere Anwendungen gibt (Bild 6), ist es unerlässlich, diese Wärme auf allen Ebenen zu verwalten – vom elektronischen Steuermodul über die Batteriezellen bis hin zum Modul und dem Paket. Für das gesamte Energiespeichersystem sind mehrere TIM-Materialien erforderlich, davon alle mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten und Formaten. Die Analyse der Schnittstelle zwischen den angeschlossenen Zellen in einem Batteriemodul und ihrem Gehäuse kann bei der Auswahl des richtigen TIM-Materials hilfreich sein.

Materialanalyse-Prozess

Automatisierung und Serienproduktion sind der Schlüssel zu Kosten- und Fertigungseffizienz. Daher sollte das Material ein flüssiges Medium sein, das in großen Mengen automatisch dosierbar ist. Um robust und stabil über die gesamte Lebensdauer zu sein, härtet das Material nach dem Dispensieren und der vollständigen Montage zu einem festen Modul aus.

Da die Automobilindustrie große Bedenken hinsichtlich der Verwendung von Materialien auf Silikonbasis (Lackbenetzungsbeeinträchtigungen) in unmittelbarer Nähe von Lackier- oder Karosseriewerkstätten hat, ist eine silikonfreie Harzbasis mit einer Temperaturstabilität zwischen -40 °C und +100 °C für das entbehrliche flüssige Gap-Filler-Material zwingend erforderlich.

On-board-Ladegeräte

Bild 5: On-Board-Ladegeräte erfordern verschiedene Arten von Wärmemanagementlösungen. Henkel

Das Materialfüllstoffpaket sollte auf extrem schnelle Dosierbarkeit (bis zu 80 ccm/Sekunde) ausgelegt sein und ein geringes abrasives Verhalten aufweisen, um die Wartung der Dosiersysteme zu reduzieren. Inhalt und Aufbau des Materials bestimmen auch die Wärmeleitfähigkeit bis zu 3,0 W/mK.

Die Rheologie des flüssigen Lückenfüllers ermöglicht eine minimale Montagespannung (geringer Quetschfluss) bei der Montage der Module, aber auch eine feste, lange, stabile Haltbarkeit ohne Füllstoffablagerung oder Sedimentation.

Fazit

Bild 6: Li-Ionen-Akkupacks fordern TIMs für optimale Leistung, Sicherheit und Lebensdauer.

Bild 6: Li-Ionen-Akkupacks fordern TIMs für optimale Leistung, Sicherheit und Lebensdauer. Henkel

Die Auswahl von TIM-Lösungen für verschiedene Automobilanwendungen ist komplexer als die Festlegung eines reinen Wärmeleitwerts. Die Verantwortlichen müssen alles berücksichtigen, was im Wärmemanagement eine Rolle spielt – von den Betriebsbedingungen über die Umweltbelastung bis hin zu den Anforderungen an die Verarbeitbarkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit. Wenn alle Faktoren abgewogen werden, erkennen die meisten Automobil-Elektroniker schließlich, dass es nicht nur auf den Lambdawert eines TIM ankommt. Was oft mit dem Wunsch nach höchster Wärmeleitfähigkeit beginnt, führt in der Regel zu einer Materiallösung mit deutlich geringerem Wärmeübergang, wenn alle Aspekte Berücksichtigung fanden. Mit zunehmendem elektronischem Inhalt in Fahrzeugen wächst die Bedeutung thermischer Materialien. Ihre Wirksamkeit kann durchaus davon abhängen, wie sorgfältig die Verantwortlichen sie ausgewählt haben.