Ein gestanztes Wärmeleitmaterial ist ein Wärmeleitpad, eine Folie oder eine leitfähige Schicht, die vor der Weiterverarbeitung in ihre endgültige Form geschnitten wird, anstatt als Flüssigkeit aufgetragen oder als Fett verteilt zu werden. Für Entwickler von Akkupacks oder Leistungselektronik ist diese vorgeformte Struktur entscheidend. Das Material lässt sich mit reproduzierbarer Dicke und Fläche präzise platzieren, kann automatisiert aufgenommen und positioniert werden und verfügt über eine eigene Schutzfolie. Dieser Artikel behandelt die wichtigsten Arten von gestanzten Wärmeleitmaterialien, die Auswahl zwischen einem vorgeschnittenen Pad und einem aufgetragenen Wärmeleitmittel sowie die Faktoren, die die Materialwahl für Ihre Anwendung beeinflussen. Dosieranlagen, Aushärtungsöfen und die elektrische Auslegung des Akkupacks werden nicht behandelt; der Fokus liegt ausschließlich auf der Wärmeleitschicht selbst.
Welche Veränderungen ergeben sich durch das Stanzen eines Wärmeleitmaterials?
Das Stanzen beeinflusst die Konsistenz und Automatisierbarkeit der Schnittstelle; das darunterliegende Material bleibt jedoch unverändert. Ein vorgeformtes Teil weist eine reproduzierbare Grundfläche und eine reproduzierbare Nenndicke innerhalb einer festgelegten Fertigungstoleranz auf. Dadurch lassen sich Kompression und Schnittstellenwiderstand für viele Baugruppen vorhersagen. Der gleiche Bedarf an Wärmeleitpaste kann sowohl durch ein vorgeformtes Teil als auch durch ein Dosiersystem gedeckt werden. Die genaue Zusammensetzung und das Verfahren müssen jedoch für eine bestimmte Spezifikation bestätigt werden. Diese sollten nicht allein aus dem Format abgeleitet werden. Fette und Zweikomponenten-Epoxidharze eignen sich nicht zum Stanzen. Die Wahl des Stanzformats hängt daher zum Teil von der Prozessreproduzierbarkeit und nur zum Teil von den reinen Wärmeleitfähigkeitswerten ab.
Der Nachteil eines vorgestanzten Teils besteht darin, dass die Dicke auf den bestellten Wert festgelegt ist. Daher muss das Pad weich genug sein, um sich dem tatsächlichen Spalt davor anzupassen. Ein zu hartes, gestanztes Pad überbrückt Unebenheiten und hinterlässt Hohlräume in den Vertiefungen. Um dies zu erkennen, messen Sie die Kompressionskraft, die das Pad im tatsächlichen Spalt ausübt, und vergleichen Sie diese mit den Zell- und Verbindungslasten, denen es ausgesetzt ist. Die Nennleitfähigkeit allein reicht dafür nicht aus. Die Anpassungsfähigkeit unter der vom Stapel zugelassenen Kompression ist der entscheidende Faktor für die weiteren Entscheidungen hinsichtlich Typ und Härte.
Die wichtigsten Arten von gestanzten Wärmeleitmaterialien
Die meisten gestanzten Wärmeleitmaterialien lassen sich in wenige Gruppen einteilen, die sich hinsichtlich Leitfähigkeit, Isolation und Weichheit unterscheiden. Die unten aufgeführten Gruppen werden als gestanzte, kaschierte Teile verwendet; rein flüssige Materialien wie Fett oder Zweikomponenten-Füllstoffe stellen eine andere Form dar und werden im nächsten Abschnitt separat behandelt.
Spaltpads und Wärmeleitpads
Wärmeleitpads und Spaltpads sind die gängigsten gestanzten Produkte: weiche, gefüllte Silikonfolien, die in Form geschnitten und mit einer Trägerfolie versehen werden. Weichere, dickere Spaltpads schließen größere oder unebene Spalten und reduzieren die Druckkraft auf empfindliche Bauteile. Festere Wärmeleitpads, die zur Erhöhung der Reißfestigkeit teilweise mit Glasfaser verstärkt sind, eignen sich für dünnere, flachere Oberflächen. Ihre Leitfähigkeit beruht auf keramischen Füllstoffen wie Aluminiumoxid oder Bornitrid. Eine höhere Füllstoffmenge erhöht zwar die Leitfähigkeit, aber auch die Härte. Ein sehr hoher Wert im Datenblatt kann daher auf ein steiferes Pad mit schlechterer Anpassungsfähigkeit hindeuten. Wenn Sie ein Pad hauptsächlich anhand seines Nennwerts dimensionieren, sollten Sie dies berücksichtigen. Wärmeleitfähigkeit des Spaltpads als ein Faktor, der gegen die Weichheit abgewogen werden muss, nicht als eine Kennzahl, die man für sich maximieren sollte.
Graphitpads und -filme
Graphitpads und -folien sind eine Überlegung wert, wenn eine hohe Wärmeableitung in der Ebene erforderlich ist und eine elektrisch leitfähige Schicht toleriert werden kann. Graphit leitet Wärme stark in seiner Ebene, und einige Sorten sind hochtemperaturbeständig, wodurch es sich gut eignet, Wärme seitlich zu einem Kühlkörper abzuleiten. Es ist jedoch kein elektrischer Isolator. Wenn die Schnittstelle zudem einen Kurzschluss zwischen spannungsführenden Teilen verhindern muss, benötigt Graphit entweder eine separate dielektrische Schicht oder ist ungeeignet. Die Isolationsanforderung, nicht die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene, ist in der Regel der entscheidende Faktor. Prüfen Sie die Dauer- und Spitzentemperatur, die Wärmeleitfähigkeit in und senkrecht zur Ebene sowie die dielektrische Grenze für die jeweilige Graphitsorte, anstatt anzunehmen, dass ein einzelner Wert die Schnittstelle abdeckt.
Wärmeleitklebebänder und Klebefolien
Thermische Klebebänder und Klebefolien kommen zum Einsatz, wenn die Schnittstelle nicht nur leiten, sondern auch kleben muss. Ein gestanztes thermisches Klebeband ist mit einem Haftkleber versehen, sodass ein Bauteil durch einfaches Abziehen und Aufkleben positioniert und fixiert werden kann. Dies geht zwar auf Kosten der Wärmeleistung, bietet aber eine einfachere mechanische Verbindung und Montage. Der Klebstoff kann eine dünne, weniger leitfähige Schicht bilden, weshalb sich Bänder besonders für Verbindungen mit geringer Wärmestromdichte eignen oder wenn mechanische Haftung und Geschwindigkeit wichtiger sind als die Temperaturgenauigkeit.
Stanztes Wärmeleitpad oder aufgetragener Spaltfüller: Auswahl je nach Spalt und Montagespannung
Die Wahl zwischen einem vorgestanzten Pad und einem aufgetragenen Spaltfüller hängt von der Gleichmäßigkeit des Spalts und der Belastbarkeit des Bauteils ab. Die Wärmeleitfähigkeit ist nicht ausschlaggebend. Ein gestanztes Pad eignet sich für gleichmäßige Spalten und relativ ebene Oberflächen, da das Bauteil bereits dimensioniert und trocken platziert ist. Ein aufgetragener Spaltfüller ist ein wärmeleitendes, meist zweikomponentiges Material, das auf die Oberfläche aufgetragen wird und dort aushärtet. Es passt sich unebenen Spalten und komplexen Strukturen an. Ob es einen geringeren Grenzflächenwiderstand als ein Pad erreicht, hängt von der Materialqualität, der Spaltverteilung sowie den Parametern für Auftragung und Aushärtung ab.
Die Belastung bei der Montage gibt oft den Ausschlag. Ein in einen engen oder unebenen Spalt gepresstes, festes Pad übt eine Reaktionskraft auf Zellen, Platinen oder Lötstellen aus. Diese Belastung kann sich unter Vibrationen und Temperaturwechseln in Form von Rissen in den Lötstellen bemerkbar machen. Ein flüssiges Füllmaterial, das sich vor dem Aushärten anpasst, verteilt den Kontakt und kann – je nach Dosierung und Aushärtung – geringere Spitzenkräfte ausüben. Im Gegensatz dazu benötigt ein trockenes Pad weder Dosieren noch Aushärten, was die Handhabung und Lagerhaltung vereinfacht. Um die richtige Wahl zu treffen, vergleichen Sie die Kraft, die ein potenzielles Pad im ungünstigsten Spalt ausübt, mit der Belastung, die Ihr empfindlichstes Bauteil aushält. Greifen Sie bei geringem Spielraum zu einem dosierten Füllmaterial.
Auswahl eines gestanzten Wärmeleitmaterials: Leitfähigkeit, Isolation, Temperatur und Toleranz
Die Auswahl eines geeigneten Wärmeleitmaterials für gestanzte Schnittstellen erfordert die Berücksichtigung einiger weniger Variablen, da keine einzelne Sorte in allen Punkten optimal ist. Die Variablen sind in etwa nach ihrer Häufigkeit für die Bauteilauswahl geordnet:
- Spalt und Ebenheit: Wählen Sie eine Dicke und Weichheit, die den tatsächlichen Spalt schließt, ohne die umliegenden Teile zu stark zu komprimieren.
- Elektrische Isolierung: Entscheiden Sie im Voraus, ob die Schicht auch eine dielektrische Barriere sein muss, was Graphit ein- oder ausschließt.
- Wärmeleitfähigkeit: Passen Sie sie an Ihren Wärmestrom an. Beachten Sie, dass Silikone mit höherer Wärmeleitfähigkeit in der Regel fester sind. Die angegebenen Werte variieren je nach Materialfamilie, Güteklasse, Dicke und Prüfbedingungen. Lesen Sie daher die Werte im jeweiligen Datenblatt nach und überprüfen Sie Prüfdruck und -methode, bevor Sie vergleichen.
- Betriebstemperatur und Haltbarkeit: Prüfen Sie, ob die Güteklasse über den gesamten Temperaturwechselbereich hinweg standhält, nicht nur bei Raumtemperatur.
- Maßtoleranz: Die für die Montage und Automatisierung tatsächlich erforderliche Teiletoleranz wird eingehalten, was im Folgenden erläutert wird.
Die erreichbare Toleranz hängt vom Material, der Dicke, der Geometrie, dem Schneidverfahren und dem Verarbeiter ab. Prüfen Sie diese daher unbedingt für Ihre spezifische Zeichnung. Im Allgemeinen ermöglicht das Laserstanzen engere Maßtoleranzen als das Stanzen mit Stahllinealen. Dies ist wichtig, wenn ein Bauteil im Bestückungsprozess auf einer kleinen Fläche positioniert werden muss; eine größere Toleranz verringert den Platzbedarf. Klären Sie die fertigungsgerechte Toleranz mit Ihrem Verarbeiter hinsichtlich des spezifischen Materials und der Geometrie.
Eine weitere Disziplin schützt jeden Wärmeleitfähigkeitswert, den Sie vergleichen. ASTM D5470, das Standardprüfverfahren für die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien in Dickenrichtung, ermöglicht überhaupt erst die Vergleichbarkeit von Datenblattwerten. Ein gemeinsames Prüfverfahren ist jedoch nur die notwendige Voraussetzung. Sie müssen weiterhin prüfen, ob die Dicke, der Prüfdruck und alle anderen angegebenen Bedingungen übereinstimmen, da Werte aus verschiedenen Verfahren oder unter verschiedenen Drücken nicht direkt austauschbar sind.
Stanzte Wärmeleitmaterialien in EV- und ESS-Batteriepacks
In Elektrofahrzeugen und stationären Energiespeichern muss ein gestanztes Wärmeleitmaterial oft zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen: die Wärme der Zellen zur Kühlplatte ableiten und die Zellen elektrisch vom umgebenden Metall isolieren. Eine Konstruktion, die beide Anforderungen erfüllt, ist ein mehrlagiges, gestanztes Pad – eine Wärmeleitschicht, die mit einer dünnen Polyimid-Dielektrikumsschicht verbunden ist. So leitet dasselbe Bauteil die Wärme nach unten, während das Polyimid einen Metall-zu-Metall-Kontakt verhindert, der einen Kurzschluss in einer Zelle verursachen könnte. Die Dielektrikumsschicht ist dünn, aber robust, was sie auch widerstandsfähiger gegen Beschädigungen durch Grate während der Montage macht.
Das Pad muss zusammen mit dem restlichen Wärmeleitpfad konstruiert und nicht isoliert ausgewählt werden. Seine Leistung hängt direkt vom Kontakt mit der darunterliegenden Kühlplatte ab. Daher müssen Dicke, Weichheit und Ebenheit des Pads auf die Platte und den Zellstapel als ein System abgestimmt sein; ein Datenblattwert allein reicht hierfür nicht aus. Da eine Batterieschnittstelle Leitfähigkeit, Isolation, Montagespannung und fehlerfreie Handhabung in derselben Schicht vereinen muss, ist es ratsam, das Pad als eine Komponente eines aufeinander abgestimmten Systems zu betrachten. industrielle thermische Schnittstellenlösungen und flüssigkeitsgekühlte Platten, die denselben Wärmepfad zwischen Zelle und Kühlmittel nutzen. Diese systemische Betrachtungsweise, die weit mehr Gewicht hat als ein einzelner Wärmeleitfähigkeitswert, entscheidet darüber, ob die Schnittstelle nach dem Zusammenbau und im Betrieb des Akkus ihren Zweck erfüllt.
Schlussfolgerung
Die Auswahl eines geeigneten Wärmeleitmaterials für gestanzte Kontakte ist eher eine Frage der Reihenfolge als der Suche nach dem höchsten Wert. Zuerst sollten Sie den Spalt, die Ebenheit und die Isolationsanforderungen der Schicht festlegen. Wählen Sie dann einen Typ und eine Härte, die sich anpasst, ohne die Bauteile zu überbeanspruchen. Erst dann sollten Sie die Leitfähigkeit anhand von Werten vergleichen, die auf dieselbe Weise gemessen wurden. Ein häufig missverstandener Punkt ist, dass eine hohe Nennleitfähigkeit keinen niedrigen tatsächlichen Kontaktwiderstand garantiert, da ein steiferes, höher gefülltes Pad Hohlräume hinterlassen kann, die ein weicheres Pad mit niedrigerer Nennleitfähigkeit geschlossen hätte. Vor der Freigabe eines Designs sollten Sie folgende Prüfungen durchführen: die Kompressionskraft am ungünstigsten Spalt, die Isolationsanforderungen über den gesamten Stapel und ob sich ein aufgetragenes Füllmaterial besser an unebene Spalten anpasst.
FAQ
Benötige ich ein gestanztes Zwischenpolster oder einen dosierten Spaltfüller zwischen meinen Zellen und der Kühlplatte?
Verwenden Sie ein gestanztes Spaltpad, wenn der Spalt gleichmäßig und die Oberflächen einigermaßen eben sind. Verwenden Sie einen aufgetragenen Spaltfüller, wenn der Spalt uneben ist oder die Baugruppe die Reaktionskraft eines festen Pads nicht verträgt. Das Pad ist trocken, härtet nicht aus und lässt sich leicht automatisieren. Der flüssige Füller passt sich komplexen Spalten an und kann in manchen Fällen einen geringeren Grenzflächenwiderstand erreichen, erfordert jedoch einen Auftrag und eine Aushärtung. Entscheidend ist, ob die Kompressionskraft eines geeigneten Pads bei Ihrem maximalen Spalt unterhalb der Belastungsgrenze Ihrer Zellen und Verbindungen bleibt.
Kann ein gestanztes Wärmeleitpad auch als dielektrische Barriere zur Verhinderung von Kurzschlüssen dienen?
Ja, wenn es mit einer Isolierschicht, beispielsweise einer in das Pad eingeklebten Polyimidfolie, ausgestattet ist. Eine mehrlagige, gestanzte Konstruktion leitet Wärme zur Kühlplatte, während die dielektrische Schicht den direkten Metallkontakt zwischen den Zellen und der umgebenden Struktur verhindert. Ein einfaches Graphitpad kann dies nicht leisten, da Graphit elektrisch leitfähig ist und daher eine separate Isolierung benötigen würde.
Welche Wärmeleitfähigkeit benötige ich tatsächlich für eine Zell-Kühlmittel-Grenzfläche?
Passen Sie die Wärmeleitfähigkeit an Ihren Wärmestrom und Spalt an, nicht an den höchsten verfügbaren Wert. Ein festeres Pad mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann sich nämlich schlechter anpassen und den tatsächlichen Grenzflächenwiderstand erhöhen. Die veröffentlichten Werte variieren stark je nach Materialfamilie, Güteklasse und Dicke. Lesen Sie sie daher im jeweiligen Datenblatt ab. Stellen Sie sicher, dass bei einem Vergleich die Werte mit derselben Methode, z. B. ASTM D5470, gemessen wurden und dass Dicke und Prüfdruck übereinstimmen. Eine gemeinsame Methode allein macht zwei Werte nicht austauschbar.
Welche Toleranz kann ich bei einem gestanzten Wärmeleitpad für die automatisierte Bestückung einhalten?
Laserstanzen ermöglicht engere Maßtoleranzen als Stanzformen mit Stahllineal. Dadurch lässt sich beispielsweise ein kleines Bauteil auch in der Automatisierung zuverlässig positionieren. Die anzugebende Toleranz richtet sich nach den tatsächlichen Anforderungen hinsichtlich Platzierung und Formgrundfläche. Die erreichbare Toleranz hängt von Material, Dicke und Geometrie ab. Klären Sie diese daher mit Ihrem Verarbeiter anhand des konkreten Bauteils ab, anstatt einen festen Wert anzunehmen.
Weiterführende Literatur
- TIMs: Vier Arten von Stanzprodukten — Technische Referenz des Herstellers. Unterstützt die typenspezifische Aufschlüsselung von gestanzten Schnittstellenprodukten (Graphit, Wärmeleitpads und -folien, Wärmeleitklebebänder und Spaltfüller); herstellerspezifische Angaben dienen lediglich als Beispiele zur Überprüfung.
- Spaltfüller vs. Spaltpolster — Technische Referenz des Materiallieferanten. Unterstützt den Vergleich von vorgeschnittenen Pads und dosiertem Spaltfüller, einschließlich Anwendungsmethode, Automatisierung und Einsatzgebiet der jeweiligen Formate.
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