Cool bleiben mit TIM

Antriebsbatterie, Elektromotor und Leistungselektronik von Elektroautos benötigen ein effizientes Wärmemanagement, damit die Komponenten nicht überhitzen. Thermische Interface-Materialien (TIM) aus Silicon leisten genau dies.

Akkus produzieren Abwärme, wie jeder Handybesitzer an der eigenen Hand spüren kann. Eine entsprechend große Herausforderung ist in Elektrofahrzeugen das effektive Ableiten der Wärme, die im Fahrbetrieb beziehungsweise beim Laden in zahlreichen Fahrzeugkomponenten entsteht. „Insbesondere bei der als Energiequelle genutzten Batterie ist ein solches Wärmemanagement kritisch“, sagt Peter Walter, Marketing Manager im Industrial-Solutions-Team von WACKER SILICONES.

Lithium-Ionen-Batterien erreichen ihre volle Leistungsfähigkeit nur zwischen etwa 20 und 35 Grad Celsius „Um eine akzeptable Leistung und Lebensdauer zu gewährleisten, müssen sie daher vor Überhitzung geschützt werden“, betont Walter. Und auch bei der Leistungselektronik entsteht Wärme. Um bei diesen Komponenten temperaturbedingte Schäden oder Ausfälle zu vermeiden, muss die frei werdende Wärmeenergie schnell und effektiv abgeleitet werden. Wärmeleitmaterialien, auch thermal interface materials (TIM) genannt, füllen den Spalt zwischen der zu temperierenden Baugruppe und dem Wärmetauscher beziehungsweise dem Kühlkörper.

„Luft ist nämlich ein schlechter Wärmeleiter und daher bei der Wärmeabführung unerwünscht“, sagt Dr. Philipp Müller, der im Team Industrial Solutions von WACKER SILICONES für die anwendungstechnische Kundenbetreuung verantwortlich ist. Daher braucht es sogenannte Thermische Interface-Materialien (TIM), die im Spalt zwischen Wärmequelle und Wärmesenke eine wärmeleitende Verbindung herstellen. „Damit verringern sie den thermischen Übergangswiderstand und sorgen für die thermische Anbindung der Komponenten“, erklärt Müller weiter.

Als Wärmeleitmaterialien weit verbreitet sind Polymere, die mit thermisch leitfähigen anorganischen Substanzen hochgefüllt sind. Die Polymerbasis kann aus organischen Polymeren oder aus Siliconen bestehen. Um die angestrebte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, liegt der Füllgrad meist über 90 Prozent. Typische Füllstoffe sind keramische Metalloxide wie zum Beispiel Aluminiumoxid. Durch den Einsatz dieser Füllstoffe bleibt das TIM elektrisch isolierend, wie es für Anwendungen in der Umgebung spannungsführender Komponenten erforderlich ist.

Generell sind Silicone für ihre Alterungsbeständigkeit bekannt. Das gilt auch dann, wenn sie hohen oder niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Im Unterschied zu organischen Polymeren behalten sie ihre physikalischen und technischen Eigenschaften zwischen –45 und mindestens +150 Grad Celsius nahezu unverändert bei. Zudem sind sie schwerer entflammbar als organische Polymere.

Typisch für Silicone ist auch ihre niedrige Oberflächenenergie. So benetzen flüssige Silicone nahezu sämtliche festen Oberflächen. „Dies wirkt sich positiv auf die Verarbeitungseigenschaften siliconbasierter TIM aus und sorgt dafür, dass auch kleinste Unebenheiten in den Substratoberflächen ausgefüllt werden“, erklärt WACKER-Chemiker Philipp Müller. Alterungsbeständigkeit und Schwerentflammbarkeit sind auch die Hauptargumente für die Verwendung wärmeleitender Siliconprodukte in Fahrzeugen mit rein elektrischem Antrieb – selbst an Baugruppen, deren Betriebstemperaturen nicht zwingend den Siliconeinsatz erfordern.

Viele siliconbasierte Wärmeleitmaterialien sind in pastöser Form erhältlich. Als scherverdünnende Massen sind sie in Ruhe standfest, werden aber unter Scherung fließfähig. Zur Verarbeitung lassen sie sich mit einem Dispenser raupenförmig auf den Kühlkörper auftragen. Anschließend wird die zu kühlende Baugruppe aufgelegt und angedrückt. Erhältlich sind aber auch gießbare Darreichungsformen, zum Beispiel Harze und Vergussmassen.

Gap-Filler bilden nach der Vernetzung ein relativ weiches und elastisch verformbares Pad, das den Konturen der Oberflächen exakt folgt. Sie können raue Oberflächen bis hin zu Unebenheiten im Millimeterbereich ausfüllen, wie sie vor allem bei groß dimensionierten Substratoberflächen auftreten. Hierin unterscheiden sie sich von vorgefertigten Pads, die eine bestimmte Dicke aufweisen und daher nicht in der Lage sind, größere Toleranzen auszugleichen.

Einsatzgebiet für wärmeleitfähige Vergussmassen sind kompliziert geformte Oberflächen. Sie transportieren die Wärme zum Kühlkörper und schützen zugleich die Oberflächen vor Umgebungseinflüssen. Produkte dieser Art werden durch Vergießen, bei Harzen auch durch Tauchen oder Träufeln appliziert.

„Unsere Siliconprodukte, die bereits seit Jahren erfolgreich zum Wärmemanagement in leistungselektronischen Baugruppen verwendet werden, haben wir nun erfolgreich für die Anwendung in der Elektromobilität weiterentwickelt“, betont Marketing Manager Peter Walter. „Diese Produkte und vor allem ihre Verarbeitungseigenschaften werden laufend auf die Anforderungen der Großserienproduktion hin optimiert.“

Besonders die rheologischen Eigenschaften der pastösen Massen müssen an die schnellen und hochgradig automatisierten Fertigungsprozesse der Automobilhersteller angepasst werden. Parameter sind dabei die molekularen Kettenlängen und die Art der flüssigen Siliconpolymere sowie die Größe und Gestalt der Füllstoffpartikel.