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Flüssige Gap Filler für e-mobility-Anwendungen

| Autor / Redakteur: Wolfgang Höfer * / Kristin Rinortner

Gap Filler: Flüssigen Gap Fillern kommt eine große Bedeutung bei der thermischen Anbindung und Entwärmung elektrischer Komponenten in der E-Mobilität zu.
Gap Filler: Flüssigen Gap Fillern kommt eine große Bedeutung bei der thermischen Anbindung und Entwärmung elektrischer Komponenten in der E-Mobilität zu. (Bilder: KERAFOL)

Der Umstieg auf elektrische Antriebssysteme birgt Herausforderungen. Sowohl das Wärmemanagement als auch die thermische Anbindung und Entwärmung elektrischer Komponenten werden immer wichtiger.

Den Prognosen führender deutscher Autohersteller zufolge werden bis spätestens 2030 alle Topseller auch als Elektroauto verfügbar sein, das ist ein äußerst ambitioniertes Ziel. Faktoren wie eine stetig steigende Leistungsdichte bzw. ein höherer Wärmefluss pro Fläche (W/m2) und „high power charging“ führen zu erhöhten Bauteiltemperaturen sowie Bauteilebelastungen und damit auch zu einer verringerten Lebensdauer in der Anwendung.

Eine effiziente Entwärmung der elektrischen Bauteile durch das Anbinden von Wärmequelle an Wärmesenke bei gleichzeitig elektrisch isolierender Wirkung ist daher eine Grundvoraussetzung für die hohen Qualitätsansprüche aus dem Automotive-Bereich. Diese Anbindung und der Ausgleich entsprechender Bauteiltoleranzen, Spalte oder Lufteinschlüsse lässt sich durch Thermal Interface Materials auf einfache Weise individuell realisieren.

Thermisches Management bei der E-Mobilität

Der Umstieg auf elektrische Antriebssysteme und auch die zunehmende Bedeutung des autonomen Fahrens implizieren völlig neue Anwendungen und Herausforderungen beim Wärmemanagement. Der Zusammenhang zwischen der Betriebstemperatur eines Batteriestacks und dessen maximal erreichbarer Zyklenzahl ist hinreichend bewiesen, was durch folgende Faustregel äußerst genau quantifiziert werden kann: „Eine Verringerung der Betriebstemperatur um 10 °C verdoppelt die Lebensdauer der Batteriezellen.“

Auch die Nettoreichweite eines Elektroautos ist merklich von der Betriebstemperatur der Batterieleistung und somit auch indirekt von der vorliegenden thermischen Entwärmung abhängig. Neben der thermischen Anbindung der Energiequelle benötigt das „Auto von morgen“ auch Lösungen für elektrische Komponenten bei LED, Sensorik, Bordnetz und Inverter.

Vergussmassen sind effizient und kostengünstig

Vor allem für hohe Stückzahlen stellen 2-Komponenten-Vergussmassen (GFL) eine effiziente und kostenorientierte Lösung dar. Hierfür werden die beiden Komponenten der keramisch hochverfüllten Silikonelastomere über ein Mischrohr vermengt und anhand eines Dispenssystems direkt auf das Bauteil (zum Beispiel Metallgehäuse) appliziert.

Im nächsten Schritt werden die elektronischen Komponenten (z.B. IGBTs, Kondensatoren usw.) unter leichtem Druck auf die noch unvernetzte Masse angebracht, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Masse und folglich eine definierte Dicke sowie reproduzierbare elektrische und thermische Parameter realisiert werden. Die Vernetzung bzw. die Aushärtung der Masse erfolgt unter Raumtemperatur und beträgt circa eine Stunde, kann aber auf Kundenwunsch auch individuell angepasst werden.

Im Vergleich zu Systemen auf PU- oder Epoxid-Basis können silikonhaltige Vergussmassen Vibrationen wesentlich besser aufnehmen und kompensieren, ein Effekt welcher durch die hohe Weichheit der GFL begünstigt wird. Zusätzlich ermöglicht die geringe Viskosität der GFL eine simple Verarbeitbarkeit und wirkt sich schonend auf das Dispenssystem aus, eine These die durch führende Anlagenhersteller wie ViscoTec, bdtronic oder Scheugenpflug bestätigt wurde.

Beispiel für Softtherm Pads aus Silikon mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 6 W/mK.
Beispiel für Softtherm Pads aus Silikon mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 6 W/mK. (Bild: KERAFOL)

Vernetzte Elastomere auf Basis von Silikon

Für viele Anwendungen im Bereich der e-mobility sind klassische Wärmeleitfolien nach wie vor Stand der Technik. Vor allem vernetzte Elastomere auf Silikonbasis, besser bekannt als Softtherm-Pads, können durch ihre Vielfalt an spezifisch einstellbarer Eigenschaften eine entscheidende Rolle zur thermischen Entwärmung (Leistung bis zu 6 W/mK) elektronischer Komponenten spielen.

Die Pad zeichnen sich durch eine Durchschlagsspannung von 2 bis 16 kV/mm aus. Sie lassen sich bis auf 50% zusammenpressen. Die Shore-Härte wird mit 10 bis 75 angegeben und die Anwendungstemperatur liegt bei – 60 bis 250 °C.

Durch die hohe Flexibilität und enorme mechanische Belastbarkeit der Softtherm-Pads, können große Spaltmaße sowie hohe Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Neben individueller Lösungen, wie einseitige Kleberbeschichtung zur Bauteilfixierung oder Glasfaserverstärkung zur Erhöhung der mechanischen Stabilität, können für den Kunden auch 2-lagige Folien (gefordert nach Elektroschutzverordnung) von großem Mehrwert sein.

* Wolfgang Höfer ist Vertriebsmanager bei KERAFOL Keramische Folien GmbH & Co. KG in Eschenbach.

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