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Oberflächen 09. 05. 2024
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Teil 6 – Thermomanagement

Von Rainer Venz und Nico Bruijnis

Elektrische Einrichtungen in Fahrzeugen mit hohem Strom­umsatz erzeugen häufig als unerwünschtes Nebenprodukt thermische Energie, die zum Schutz der Systeme möglichst effizient abgeführt werden muss. Zu den wichtigen Anforderungen hierbei zählt eine große Kontaktfläche zu einem Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit. Gelöst werden kann die Anforderung durch den Einsatz von Thermal Interface Materials bei der Herstellung elektrischer und elektronischer Bauteile.

Elektronikbauteile erzeugen Wärme, die durch immer enger werdende Bauräume oft nicht mit ausreichenden Mengen Frischluft gekühlt werden können. Noch kritischer wird die Situation, wenn die Komponenten abgekapselt oder in separate Gehäuse verbaut werden, beispielsweise um sie vor Korrosion zu schützen. Moderne Batterien in Elektrofahrzeugen arbeiten in einem engen Temperaturfenster, um optimale Leistung zu erbringen. Auch beim Laden wird ein bestimmter Temperaturbereich benötigt; dafür werden Batterien vor dem eigentlichen Ladevorgang durch das Batteriemanagementsystem (BMS) entsprechend konditioniert. Je nach Fahrleistung und Außentemperaturen muss entweder geheizt oder gekühlt werden. ­Schwachpunkte stellen dabei alle Verbindungsflächen dar, da hier aus den nachfolgend genannten Gründen keine optimale Wärmeleitfähigkeit besteht.

Eine optimale Wärmeleitung entsteht dann, wenn verschiedene Mate­rialien einen guten physikalischen Kontakt haben (Abb. 34). In der Praxis gibt es jedoch keine absolut ebenen Oberflächen und aufgrund der Rauheit der Oberflächen ist der physische Kontakt zwischen diesen Oberflächen begrenzt. Wo kein physischer Kontakt besteht, gibt es Luft, und Luft fungiert praktisch als Wärmeisolator.

Abb. 34: Schema der Übergangswiderstände (RiA und RiB) in einem Zusammenbau (Bild: MacDermidAlpha)

 

Mit der Beziehung gemäß Gleichung <1> kann die thermische Leistung der thermischen Schnittstelle berechnet werden:

Zθ = (z/(k·A)) + Ri. <1>

mit: Zθ = thermische Impedanz (K/W)

z = Dicke (mm)

k = thermische Leitfähigkeit (W/m•K)

A = Fläche (mm2)

Ri = thermischer Übergangswiderstand (K/W)

Abbildung 35 zeigt, dass kleinste Unebenheiten und geometrische Unterschiede zwischen den beiden verbundenen Oberflächen den physischen Kontakt beeinträchtigen und so unerwünschte Luftein­schlüsse erzeugen. Selbst bei sehr gutem Formschluss und der Ver­bindung von Komponenten aus Werkstoffen mit gleichem oder sehr ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten stellt die Rauheit der Oberflächen im Mikrobereich durch die dort eingeschlossene Luft eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit dar, wie Abbildung 36 zeigt.

Abb. 35: Unzureichender Formschluss (Bild: MacDermidAlpha)

Abb. 36: Rauheit mit Lufteinschlüssen zwischen zwei Verbindungsflächen (Bild: MacDermidAlpha)

 

 

Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer beträgt etwa 400 W/mK, die von Aluminium cirka 230 W/mK und die von Luft lediglich 0,025 W/mK. Der große Unterschied in der thermischen Leitfähigkeit von Luft im Vergleich zu Metallen zeigt, wie wichtig es ist, einen möglichst guten Formschluss beim Verbinden von Bauteilen zu erreichen, sowie Lufteinschlüsse zu vermeiden. Hier helfen Thermal Interface Materials (TIMs), unzureichende Planarität auszugleichen und Lufteischlüsse zu minimieren. Abbildung 37 zeigt, wie geometrische Unebenheiten und Rauheitsprofile mit TIMs (in Gelb dargestellt) ausgefüllt werden und dadurch eingeschlossene Luft verdrängt wird.

Abb. 37: Vergießen von Leiterplatten und elektronischen Komponenten (Bild: MacDermidAlpha)

 

 

Je nach verwendetem Material, weisen die gängigsten TIMs eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1 W/mK bis 20 W/mK auf. Dieser Wert ist im Vergleich zu Metallen gering, aber immer noch um Faktor 40 bis 800 höher als die Wärmeleitfähigkeit von Luft, die durch TIMs ersetzt wird.

TIMs können in Abhängigkeit vom Material verschiedene zusätzliche Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise elektrische Isolation, Klebewirkung oder Schutz vor Vibrationsbeanspruchung. TIMs gibt es als Pads oder in flüssiger Form (Abb. 38). Verwendet werden TIMs in verschiedenen elektronischen Komponenten, wie Motorsteuergeräten, Bordladegeräten, Fahrerassistenzsystemen (ADAS), Batteriepacks und vielen anderen Anwendungen.

Abb. 38: Auftragen einer TIM-Paste (Bild: MacDermidAlpha)

 

Überhitzung führt ab einem bestimmten Punkt zum Ausfall der jeweiligen Komponente oder sogar des gesamten Systems. Dies kann insbesondere bei Fahrerassistenzsystemen zu einem Sicherheitsproblem führen. Der Einsatz von TIMs stellt einen aktiven Schutz elektronischer Komponenten dar, indem es den Wärmetransport – und damit die Kühlung – deutlich optimiert. Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer können somit deutlich erhöht werden, was auch die Nachhaltigkeit verbessert.-wird fortgesetzt-

Surface technology - supporter and driver
for the transformation of vehicle technology

Part 6 – Thermal Management

By Rainer Venz and Nico Bruijnis

Electrical devices in vehicles with high ­electricity consumption often generate thermal energy as an undesirable byproduct, which must be dissipated as efficiently as possible to protect the systems. One of the important requirements here is a large contact area with a material with high thermal conductivity. The requirement can be solved by using thermal interface materials in the production of electrical and electronic components.

Electronic components generate heat that often cannot be cooled with sufficient amounts of fresh air due to increasingly narrow installation spaces. It becomes even more difficult if the components are encapsulated or installed in separate housings, for example to protect them from corrosion. Modern batteries in electric vehicles operate within a narrow temperature window to provide optimal performance. A certain temperature range is also required when charging, so batteries are conditioned accordingly by the battery management system (BMS) before the actual charging process. Depending on the driving conditions and outside temperatures, either heating or cooling is required. Weak points are all interfaces, as there is no optimal thermal conductivity here for the reasons mentioned below.

Optimum heat conduction occurs when various materials make a good physical contact (Fig. 34). In practice, however, there are no absolutely flat surfaces, and due to the roughness of the surfaces the physical contact between these surfaces is limited. Whenever there is no physical contact, there is air, and air is effectively a heat insulator.

Fig. 34: Schema of several contact resistances (RiA and RiB) in an assembly (Source: MacDermidAlpha)

 

 

With the relation according to equation <1> the thermal performance of the thermal interface can be calculated:

Zθ = (z/(k·A)) + Ri. <1>

with: Zθ = thermal impedance (K/W)

z = thickness (mm)

k = thermal conductivity (W/m•K)

A = surface area (mm2)

Ri = thermal contact resistance (K/W)

Figure 35 shows that the smallest unevenness and geometric differences between the two connected surfaces impair physical contact and as such create unwanted air pockets. Even with very good positive fit and the connection of components made of materials with the same or very similar thermal expansion coefficients, the roughness of the surfaces in the micro range due to the air trapped there represents a deterioration in thermal conductivity, as shown in Figure 36.

Fig. 35: Insufficient positive fit (Source: MacDermidAlpha)

Fig. 36: Roughness with air pockets between two connecting surfaces (Source: MacDermidAlpha)

 

 

The thermal conductivity of copper is approx. 400 W/m•K, that of aluminum is approx. 230 W/m•K and that of air is only approx. 0.025 W/m•K. The big difference in the thermal conductivity of air compared to metals shows how important it is to achieve the best possible positive fit when connecting components and to avoid air pockets. Here, Thermal Interface Materials (TIMs) help to compensate for insufficient planarity and minimize air inclusions. Figure 37 shows how geometric unevenness and roughness profiles are filled with TIMs (shown in yellow), thereby displacing trapped air.

Fig. 37: Potting circuit boards and electronic components(Source: MacDermidAlpha)

 

 

Depending on the material used, most common TIMs have a thermal conductivity in the range of 1 W/m•K to 20 W/m•K. This value is low compared to metals, but is still 40 to 800 times higher than the thermal conductivity of air, which is being replaced with the TIM.

Depending on the material, TIMs can have various additional properties, such as electrical insulation, adhesion or protection against vibration stress. TIMs are available as pads or in a liquid form (Fig. 38). TIMs are used in various electronic components such as engine control units, onboard chargers, ADAS systems, battery packs and many other applications.

Fig. 38: Applying a TIM paste (Source: MacDermidAlpha)

 

 

At a certain point, overheating leads to failure of the respective component or even the entire system. This can lead to a safety problem, particularly with driver assistance systems. The use of TIMs provides active protection for electronic components by significantly optimizing heat transport - and thus cooling. Reliability and service life can thus be significantly increased, which also improves sustainability.

-will be continued-

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