Welche Aufgaben ein Thermal Interface Material hat

Ein Anwendungsbeispiel ist der Ladeanschluss eines Elektroautos. Dieser ist bei einem namhaften Autohersteller bereits seit einiger Zeit mit großen Stückzahlen in der Serienfertigung. Hinter der Ladeklappe zeigt das Fahrzeug einen üblichen mehrpoligen Anschluss für das Ladekabel, eingelassen in eine unscheinbare Kunststofffront. Unsichtbar beginnt direkt dahinter ein Hightech-Bereich. Dort befinden sich mehrere Komponenten, die in ihrem Zusammenspiel maßgeblich für das Thermomanagement des Ladevorgangs sind: eine Platine mit Temperatursensoren sowie Mess- und Regelelektronik für das Lademanagement, die sicher in einem etwa handtellergroßen Gehäuse untergebracht sind. Dieses stellt über das integrierte neuartige „Thermal Interface Material“ (TIM) zugleich eine bestmögliche Wärmeleitfähigkeit zwischen Gehäuse und Sensoren her: Es nimmt den Wärmestrom über die mit der Batterie verbundenen Kupferleitungen auf, leitet diesen an die Temperatursensoren weiter und unterstützt so einen schnellen Aufbau der Laderegelung inklusive kontinuierlichem Thermomanagement der Fahrzeugbatterie. Das Zweikomponenten-Kunststoffgehäuse hat eine komplexe dreidimensionale Geometrie, da die Anschluss-pole des Ladesteckers hindurchgeführt wird. Es fixiert die biegeempfindliche Platine zuverlässig und unterstützt eine einfache Montage: Die Elektronikeinheit wird über Schnappverbindungen eingeklipst. Das neuartige Elastomer unterstützt eine präzise Kontaktierung und schirmt zugleich mit seiner elektrischen Isolationsfähigkeit die empfindliche Elektronik gegenüber der Ladespannung von bis zu 800 Volt ab. Freudenberg Sealing Technologies, Weinheim, stellt das Gehäuse mit aufgespritztem Elastomer her und liefert es an einen Automobilzulieferer, der das Modul wiederum einbaufertig für den Automobilhersteller erstellt.

Die thermische Leitfähigkeit liegt bei 1,7 bis 2 W/mK. Zum Vergleich die Wärmeleitfähigkeit von Luft, diese liegt bei 0,026. Im Spritzguss können dünnwandige Bauteile hergestellt werden. Das ist entsprechend der Wärmegleichung aus der Fourier-Gleichung gut für die Wärmeleitfähigkeit. Im erwähnten Projekt hat das Elastomer unterhalb des Temperatursensors eine Dicke von lediglich 0,8 mm. Bei Wandstärken >3 mm nimmt die Wärmeübertragung laut Hersteller ab. Das Material erreicht einen CTI-Wert von 600 und damit die höchste Schutzklasse für die Kriechstromfestigkeit. Die elektrische Durchschlagfestigkeit liegt bei mehr als 10 kV/mm. Damit stellen die üblichen Prüfspannungen von 2,4 bis 4 kV das Material vor keine besonderen Herausforderungen. Die Härte liegt bei rund 35 Shore A. Beim Verarbeiten im Spritzguss werden Lufteinschlüsse sowohl im Elastomer als auch an den Kontaktflächen mit anderen Materialien wie Kunststoff, Aluminium und Kupfer vermieden. Diese könnten sonst zu elektrischen Problemen führen, wie etwa zu Spannungsdurchschlägen. Brandbeständig ist der Werkstoff nach UL94 mit der Klassifikation V0.

In zahlreichen elektrischen Anwendungsfällen ist eine wirkungsvolle Wärmeableitung Voraussetzung für einen effizienten Prozess – überall dort, wo erhebliche Rechenleistungen erforderlich sind oder hohe Ströme fließen. Typische Applikationen kommen derzeit aus der Elektromobilität und nicht zuletzt aufgrund der erheblichen Anforderungen bei einer Ladespannung von 800 Volt, die sich in Elektrofahrzeugen immer mehr durchsetzt. Dazu gehören beispielsweise gekühlte Stromschienen „Busbars“ in Traktionsbatterien. Diese erwärmen sich insbesondere beim Schnellladen oder bei hoher Leistungsabgabe vergleichsweise stark. In direktem Kontakt zu den elektronischen Bauelementen kann mit einem dreidimensional gestalteten Formteil gezielt deren Entwärmung erfolgen. Bei Freudenberg Sealing Technologies befindet sich derzeit ein ölresistentes TIM in der Vorentwicklung. Ein solches Material erweitert die Einsatzmöglichkeiten noch einmal erheblich.

Quelle: Freudenberg Sealing Technologies