Die mehrdimensionalen Trends im Bereich der Automobil-Elektronik verstärken die breite Akzeptanz unterschiedlicher Kfz-Elektroniksysteme, die sich jedoch im Hinblick auf ihre konstruktiven und fertigungstechnischen Herausforderungen für den Elektronikhersteller in mehreren Aspekten gleichen. So wird von der Fahrzeug-Elektronik immer mehr Funktionalität und eine immer höhere Zuverlässigkeit verlangt, trotz oftmals rauer Umgebung – wie insbesondere bei Elektronikmodulen im Motorraum. Das zwingt die Hersteller und ihre Materialzulieferer zur Suche nach neuen Lösungen für den Schutz empfindlicher Elektronikbauteile vor harschen Umgebungseinflüssen und das Wärmemanagement im Kontext steigender Temperaturen.
Dow Corning
Schon seit Jahrzehnten bietet die Silikontechnologie bewährte Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Kfz-Elektronik. Mit den zunehmenden Forderungen nach mehr Funktionalität erfreuen sich die herausragenden Eigenschaften der Silikone inzwischen einer immer größeren Aufmerksamkeit. Glücklicherweise hat die Vielseitigkeit des Siliziumatoms die Silikonchemie in die Lage versetzt, mit den steigenden Ansprüchen Schritt zu halten. Marktnahe Innovationen im Bereich der Silikontechnologie versprechen einige der größten Herausforderungen in der Kfz-Elektronik zu meistern.
Lösungen für höhere Temperaturen
Bild 1: Anwendungen unter der Motorhaube benötigen Materialien, die auch unter rauen Umgebungsbedingungen und bei extremen Temperaturen eine ordnungsgemäße Funktion des Systems sicherstellen.Dow Corning
In den heutigen Fahrzeugen sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Elektronik nirgendwo höher als unter der Motorhaube. Komponenten und Systeme im Motorraum sowie am Antriebsstrang müssen selbst bei längerer Einwirkung von extremen Temperaturen, mechanischen Beanspruchungen, Schwingungen, Feuchtigkeit, aggressiven Chemikalien, Schmierstoffen, Schmutz und Streusalz zuverlässig arbeiten. Von Baugruppen zur Ansteuerung und Regelung von Servolenkung, Kraftübertragungs- und Bremssystemen sowie zur Batterieüberwachung und Antriebsstrangsteuerung wird bei kleinerem Einbauraum und höherer Packungsdichte immer mehr Funktionalität erwartet. All diese Ansprüche können zu sehr hohen Innentemperaturen führen, die Leistung und Zuverlässigkeit gefährden, wenn die Wärme nicht wirksam aus den Geräten abgeführt wird.
Eckdaten
Die außergewöhnlich hohe thermische Stabilität von Silikonen in Kombination mit deren weiteren attraktiven Eigenschaften steigert die Nachfrage nach diesen Materialien und erweitert die Möglichkeiten für Anwendungen mit bahnbrechendem Nutzwert. Das zeigt sich vielleicht besonders gut am Beispiel von Hybrid- und Elektrofahrzeugen, für die 10 bis 20 Mal mehr silikonbasierte Materialien benötigt werden als für herkömmliche Automobile.
Infolgedessen wenden sich Automobilhersteller und deren Elektronikzulieferer an Materialanbieter, deren Kleber, Dichtstoffe, Beschichtungen und Wärmeleitpasten eine größere Auswahl an Montagemöglichkeiten unterstützen, hohe Leistungsfähigkeit sicherstellen, das Wärmemanagement verbessern und oftmals eine Kombination all dieser Anforderungen erfüllen.
Das Spektrum der entsprechenden Wettbewerbstechnologien ist groß. Bisher verließ sich die Kfz-Elektronikbranche auf Acrylate, Epoxidharze und Polyurethane sowie Silikone. Doch während die Betriebstemperaturen vieler Elektronikbaugruppen auf über 125 °C gestiegen sind, ist die Liste der geeigneten Materialien kontinuierlich geschrumpft. Heute beispielsweise lassen sich die dauerhaft hohen Temperaturen elektronischer Bremssysteme nur noch mit Silikonen und speziellen Hochtemperatur-Epoxidharzen zuverlässig bewältigen.
Epoxidharzkleber oder Silikone?
Epoxidharzkleber bieten eine höhere Strukturfestigkeit und Steifigkeit als viele Silikone. Sie tolerieren aber nur sehr wenig Bewegung unter mechanischer Belastung. Das kann zu Rissen und zum Versagen von Klebern auf Epoxidbasis führen, etwa wenn zwei Materialien mit sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander verklebt werden müssen.
Bild 2: Silikonklebstoffe können Elektronik-Baugruppen im Automobil mit den gängigen Kühlkörpern verbinden.Dow Corning
Im Gegensatz dazu zeigen Silikonkleber ein zuverlässiges Verhalten über einen weit größeren Bereich von Betriebstemperaturen, nämlich von -45 bis +200 °C. Sie bilden eine feste aber elastische Verbindung, die mit einer Vielzahl unterschiedlicher Substrate kompatibel ist und selbst unter extremer thermischer Wechselbeanspruchung stabil bleibt. Als Dichtstoffe und Vergussmassen bieten sie außerdem einen hervorragenden Schutz vor Feuchtigkeit, Chemikalien und Verschmutzung. Darüber hinaus sind Silikone mit unterschiedlichen Aushärtungsgeschwindigkeiten und -mechanismen lieferbar, was flexible Verarbeitungsmöglichkeiten erschließt. Schlussendlich, aber vielleicht am wichtigsten, können sie viele dieser Eigenschaften mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit kombinieren.
Silikone im Auto
Dieses letzte Merkmal von Silikonklebern, -vergussmassen und -beschichtungen ist für die zunehmend komplexen und integrierten Elektronikbaugruppen im Motorraum moderner Fahrzeuge von entscheidender Bedeutung. Wärmeleitfähige Silikonkleber beispielsweise ermöglichen feste aber elastische Verbindungen zwischen gängigen Wärmequellen und Kühlkörpern, und ihre thermischen Eigenschaften lassen sich durch den Einsatz von Füllstoffen weiter verbessern. Des weiteren lassen sich Viskosität und Oberflächenchemie von Silikonen gezielt optimieren, sodass Hersteller von Elektronikbaugruppen trotz unterschiedlich dicken Kleberschichten einen niedrigeren thermischen Widerstand erzielen beziehungsweise auch im Bereich unförmiger Spalten oder großer Kontaktflächen einen maximalen Wärmetransfer sicherstellen können.
In der Summe erweitern Silikonkleber, -vergussmassen und -beschichtungen den Konstruktionsspielraum für Elektronikgehäuse und Anschlussplatinen, bieten flexiblere Montagemöglichkeiten und tragen dazu bei, die Gesamtbetriebskosten zu senken.
Bild 3: Silikon-Füllmaterialien (Gap-Filler) weisen eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und härten schnell aus.Dow Corning
Ausblick
Die treibenden Wachstumsfaktoren im Markt der Kfz-Elektronik werden sich vermutlich weiter verstärken und kurzfristig kaum an Dynamik verlieren. Ebenso werden die Anforderungen an Funktionalität, Kompaktheit und Leistungsdichte weiter zunehmen. Im Verlauf dieser Trends werden auch die Betriebstemperaturen von Fahrzeugbaugruppen weiter steigen. Gleichwohl ist anzunehmen, dass führende Systemlieferanten (Tier-1) für Elektronik bei der Leistung, Montage oder den Gesamtbetriebskosten ihrer Produkte keine Kompromisse eingehen, sondern sich Materialhersteller suchen werden, die sie bei der Anpassung an diese Trends unterstützen. Die flexible Chemie der Silikone hat diese Anpassungsfähigkeit seit Jahrzehnten bewiesen und ist auch heute in der Lage, weiterhin sowohl inkrementelle als auch bahnbrechende Fortschritte herbeizuführen.
Ein jüngerer inkrementeller aber wichtiger Fortschritt ist die Einführung eines neuen silikonbasierten Gap Fillers, der sich besonders wirtschaftlich verarbeiten lässt und zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 2,5 W/mK bietet. Die neue Silikonformulierung kann problemlos dosiert werden, härtet schnell bei Raumtemperatur aus und verläuft auch an vertikalen Montageflächen nicht. Diese verbesserte Verarbeitbarkeit bringt Kostenvorteile mit sich, ohne die thermische Leistungsfähigkeit des Materials zu beeinträchtigen.
Eine weitere, durchaus bahnbrechende Silikontechnologie mit einer thermisch-radikalischen Aushärtungschemie (TRC) wird in verschiedene Produktgruppen Einzug halten und den Konstruktionsspielraum für künftige Steuereinheiten, Sensoren, Beleuchtungs- und Anzeigebaugruppen im Fahrzeugbau signifikant erweitern. Die von Dow Corning entwickelte Technologieplattform hat bereits zu einem neuen Kleber geführt, der im Vergleich zu herkömmlichen, warmhärtenden platinkatalysierten Silikonklebersystemen nur die halbe Aushärtungszeit benötigt.
In einer typischen Deckelabdichtung härtet zum Beispiel der TRC-basierte Kleber bei 100 °C innerhalb von 15 Minuten aus. Auf bestimmten Substraten kann die kohäsive Haftung schon nach nur drei Minuten beginnen. Herkömmliche additionsvernetzende Einkomponenten-Silikonkleber benötigen im Allgemeinen 60 Minuten zum Aushärten bei 125 °C.
Indem er die Zeit zum Erwärmen und Abkühlen der Bauteile erheblich verkürzt, kann dieser fortschrittliche neue Kleber die Verarbeitung deutlich beschleunigen und Tier-1s helfen, ihre Energiekosten zu senken. Bei einigen Anwendungen sind Kosteneinsparungen von bis zu 5 % möglich. Wenn man in Betracht zieht, dass die von den Automobilherstellern avisierten Gesamteinsparungen typischerweise in einer Größenordnung von 0,5 % liegen, kann dies weitreichende Auswirkungen haben. So können Elektronikzulieferer ihre Kostensparziele bedeutend leichter erreichen.
Kleber auf Basis der neuen TRC-Chemie sorgen für zuverlässige Haftung auch zwischen einer Vielzahl von Substraten, bei denen herkömmliche Silikonkleber teilweise an ihre Grenzen stoßen. Dazu zählen Kunststoffe wie Polyethylen, Polycarbonat und Acetal, Metalle wie Aluminium, Messing, Stahl und Kupfer sowie Glas, Laminate, Keramik und Elastomere. Diese außergewöhnlich breite Kompatibilität eröffnet den OEMs in der Kfz-Elektronik einen noch größeren Konstruktions- und Verarbeitungsspielraum – einschließlich der Möglichkeit, kostengünstigere Substrate einzusetzen, um die Gesamtfertigungskosten zu reduzieren.
Um marktnahen und künftigen Trends entgegenzukommen, investieren Silikonhersteller gezielt in die Entwicklung neuer Materialchemie. Silikonlösungen der nächsten Generation werden die Entwicklung noch zuverlässigerer Elektronikbauteile und -baugruppen ermöglichen und so dazu beitragen, Leistung, Haltbarkeit, Kraftstoffeffizienz, Emissionswerte und Sicherheit der Fahrzeuge von morgen weiter zu verbessern.
Markttrends
Die Marktanalysen von Prismark Partners prognostizieren für die Automobil-Elektronik ein jährliches Wachstum von 5,5 bis 6 Prozent in den nächsten Jahren. Das entspricht fast dem Zweifachen der jährlichen Wachstumsrate für den Fahrzeug-Markt insgesamt, die Prismark auf 3,3 bis 3,7 % beziffert. Dieses Missverhältnis scheint auf den ersten Blick schwer zu glauben, lässt sich jedoch mit mehreren Markt- und Technologietrends erklären.
Die größte treibende Kraft hinter dem Wachstum der Kfz-Elektronik ist das Bestreben der Automobilhersteller, die Sicherheit und den Komfort sowie die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit ihrer Fahrzeuge zu verbessern. Elektronische Bauteile und Systeme spielen auch künftig eine entscheidende Schlüsselrolle auf diesem Weg. Mit der Elektrifizierung des Antriebsstrangs nimmt die Zahl der elektronischen Komponenten und Systeme, die für ein optimiertes Ansprechverhalten, höhere Drehmomente bei niedrigeren Motordrehzahlen, weniger Gewicht und eine signifikant verbesserte Kraftstoffeffizienz sorgen, weiter zu.
Die Verbraucher treiben außerdem das Wachstum im Bereich der Bordelektronik voran und erwarten Lösungen, die die Funktionen ihrer persönlichen Elektronik in den Fahrzeuginnenraum integrieren. Typischen Anwendungen, die diesen Trend illustrieren, sind Touchscreens in der Armaturentafel, Displays in den Rücklehnen und drahtlose Kommunikation. Aber auch fortschrittliche Beleuchtung und intelligente Elektroniksysteme werden in den Fahrzeugen immer gängiger. Hinzu kommen verbrauchergetriebene Merkmale jenseits der Fahrgastzelle wie elektronisch gesteuerte Lampen, Näherungssensoren und optische Systeme.
Brice Le Gouic
(av)
