Elektrokomponenten und Leistungselektronik werden im Zuge der E-Mobilität immer kompakter und leistungsfähiger. Gibt es Konzepte, mit denen die hohen Anforderungen an die Wärmeableitung und an die dafür benötigten thermischen Interface-Materialien erfüllt werden können?
Mit Aluminiumoxid-Granulat gefüllte und mit wärmeleitender Vergussmasse infiltrierte Drosselspule
OST – Ostschweizer Fachhochschule
Der Erfolg der E-Mobilität hängt zunehmend von der Verfügbarkeit von Elektrokomponenten, Leistungselektronik und Batterien mit hoher Leistungsdichte ab. Je kleiner und leistungsfähiger die Bauteile werden, umso effektiver muss das Thermomanagement sein, weil sich bei hohen Temperaturen die Lebensdauer der Materialien und oft auch die Performance verringert. Eine Lösung besteht in der Füllung von Hohlräumen mit gut wärmeleitenden Materialien, den sogenannten thermischen Interface-Materialien. Unter diesem Sammelbegriff versteht man wärmeleitende Klebstoffe, Vergussmassen und Pasten für unterschiedliche Anwendungen.
Zwar sind kommerzielle Produkte mit Wärmeleitfähigkeit von bis zu 3 W/mK verfügbar – für aktuelle Anforderungen sind jedoch weit höhere Werte nötig. Ein neuartiges Konzept soll die Herstellung von Elektrovergussmassen und -systemen mit Wärmeleitfähigkeiten von mehr als 10 W/mK ermöglichen.
Art des wärmeleitenden Füllstoffs
Die Auswahl an gut wärmeleitenden chemischen Verbindungen ist begrenzt, wenn man die Metalle außer Acht lässt, da die Einbindung von Metallpulvern zwar effektiv ist, aber in der Regel die elektrische Isolierwirkung von Vergussmassen zunichte macht. Hoch wärmeleitende, aber auch sehr teure Keramikmaterialien sind beispielsweise Bornitrid oder Aluminiumnitrid. Für Massenanwendungen wird sehr oft Aluminiumoxid eingesetzt, da dieses am Markt preisgünstig in definierten Korngrößen verfügbar ist und eine brauchbare Wärmeleitfähigkeit von circa 30 W/mK aufweist. Wie Modellrechnungen und experimentelle Ergebnisse belegen, sei aber ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs zu derjenigen der Polymermatrix von 100:1 ausreichend, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
Erfolgversprechendes Lösungskonzept
Im Rahmen eines Forschungsprojekts konnte nun gezeigt werden, dass oft ein Potenzial für eine deutlich bessere Wärmeableitung besteht. Der Lösungsansatz besteht in der Verwendung von rieselfähigen keramischen Granulaten in mm-Korngrößen, die konstruktiv unvermeidbare Hohlräume wärmeleitend überbrücken und in Verbindung mit einer Vergussmasse unter Verwendung von elektrisch isolierendem Aluminiumoxid-Granulat Gesamtwärmeleitfähigkeiten von 7 bis 9 W/mK bzw. unter Verwendung von Siliciumcarbid sogar von >10 bis ca. 17 W/mK ermöglichen. Vorteilhaft sei dabei die Verwendung von gut wärmeleitenden, mit keramischen Mikrofüllstoffen hoch gefüllten Vergussmassen, die im Verlauf des Projekts entwickelt wurden.
Kontakt: Dr. Arno Maurer