Dosierbare (flüssige) Gapfiller besser als vorgefertigte Gapfiller?

Immer mehr Anwendungen in der Elektronik und Elektrotechnik benötigen ein ausgeklügeltes Wärmemanagement. Mehr Leistung auf kleinerem Raum erzeugt einen zunehmenden Aufwand, die Verlustwärme effizient abzuführen. Mittel der Wahl waren bisher vorgefertigte Gapfiller oder Silikonfolien. Doch besonders im Batteriebereich für Elektrofahrzeuge werden vermehrt 2K-Systeme eingesetzt, die erst an Ort und Stelle aushärten. Ist das die bessere Lösung?

CMC Klebetechnik GmbH

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Der wesentliche Vorteil der dispensierbaren Gap Filler ist ihre hohe Toleranz gegenüber Oberflächen-Unebenheiten, Fertigungstoleranzen oder komplizierten Geometrien. Die nach dem Dispensieren noch zähflüssigen Gap Filler formen sich während des Aushärteprozesses an die Oberflächen an. Eine optimale Benetzung reduziert erheblich die Wärmeübergangswiderstände (Vermeidung von Lufttaschen). Je nach Formulierung der silikon- oder polyurethanbasierenden Zweikomponentensysteme kann eine hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit bis zu ca. 7 W/m*K erzielt werden. Wo benötigt kann zusätzlich auch eine recht gute Klebkraft erreicht werden.

Der Aufwand für eine automatisierte Aufbringung der 2-Komponenten-Vergussmassen (GFL) in der Serienfertigung dagegen ist hoch. Die Dosiertechnik muss zwei Komponenten unterschiedlicher Viskosität im richtigen Verhältnis miteinander vermischen. Das sich bildende Gemisch wird dann mit einem ggf. Mehrachsen-Roboterarm auf die Fläche aufgebracht, die später mit einer anderen Fläche thermisch gekoppelt werden soll. Dabei gilt es zum Teil recht enge Zeitfenster (Potlife) zu beachten, denn während der Vernetzung steigt die Viskosität stark an. Bis zur völligen Aushärtung der Vergussmassen Zeit dürfen Bauteile nicht in die noch weiche Gapfillermasse sinken.

Wie bei allen elektrischen Isoliermaterialien ist auch bei flüssigen Gapfillern die Schichtdicke bestimmend für die Durchschlagsspannung. Im noch nicht ausgehärteten Zustand muss also mechanisch der benötigte Abstand aufrecht erhalten werden (Halterungen, vorübergehende Fixierungen). 

Wärmemanagement in Elektrofahrzeugen ist für mehrere, für die Nutzung wichtige Faktoren maßgebend. Die Betriebstemperatur der Lithiumbatterien bestimmt maßgeblich Nettoreichweite, (Schnell)Ladefähigkeit und Lebensdauer. Neben der Wärmebelastung sind Wärmeleitmaterialien auch Vibrationen, chemischen Belastungen und elektrischem Stress ausgesetzt. Daneben spielen Faktoren wie Reparaturfreundlichkeit und die leichte Demontage im End-of-Life Fall eine Rolle. Für die Produktion wichtig ist auch die Lagerfähigkeit, denn damit verbunden ist die Flexibilität in der Produktion, sich auf schwankende Fertigungszahlen einzustellen.

Fertige Gapfiller und Silikonfolien

Vorgefertigte, ausvernetzte Gap-Filler spielen in diesem Fall einen ihrer großen Vorteile aus: Die Lagerfähigkeit ist, wenn auch durch die Gewährleistungsangaben der Hersteller begrenzt, erheblich größer. Sie können durch vergleichsweise günstige Stanzverfahren in die benötigte Form gebracht werden und sind dann ohne aufwändige Dosiertechnik im Gerät oder am Bauteil platzierbar. Selbst eine Zwischenlagerung (Pufferfertigung) über Tage und Wochen ist so möglich.

Feste Gapfiller (ready cured) können sehr weich eingestellt werden, so dass sie sich ähnlich gut wie flüssige Gapfiller (in place cured) verhalten. Die Oberflächenbenetzung und der Ausgleich von Toleranzen ist dann vergleichbar. Auch der spezifische Wärmeleitwert ist variabel und reicht von 1,5 W/mK bis zu 10 W/mK.

In vielen Fällen ist eine Reparatur mit Wärmeleitpads leichter möglich. Das Material klebt nicht an den Bauteilen und muss nicht mühsam abgekratzt werden. Auch ist die mechanische Belastung geringer, da kein Vernetzungsschrumpf auftritt. So kann es auch nicht zu Ablösungen kommen, die z.B. für hohe Spannungen eine nur sehr gering spannungsfeste Luftstrecke darstellen.

Die chemischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften sind bei entsprechender Auswahl ebenfalls vergleichbar. Die Verarbeitung von Wärmeleitfolien auf Stanzmaschinen und Schneidplottern erlauben die Fertigung hoher Stückzahlen in vergleichsweise kurzer Zeit. Nach der Montage ist keine Wartezeit (Curing time) notwendig, der nächste Fertigungsschritt kann sich sofort anschließen (Taktzeit). Es gibt auf der anderen Seite aber auch keine einzuhaltenden Zeiten bei der Weiterverarbeitung wie bei vernetzenden Systemen. Haltezeiten der Produktion verursachen keine Folgen wie verstopfte Düsen oder unbrauchbar gewordene Bauteile mit vernetzten Gapfiller.

Feste Gapfiller  und Silikonfolien können Glasgewebe (mechanischer Abstandshalter) enthalten oder mit einer thermisch leitenden Isolationsfolie verbunden sein. So erhalten sie eine feste, verlässliche Isolationswirkung und eine garantierbare Mindestspannungsfestigkeit. Insbesondere dünne Kapton® MT Folie unterstützen mit ihrer Wärmeleitfähigkeit den Wärmestrom-Transport. Kapton® Folien bieten gleichzeitig Durchbruchspannungen im Bereich deutlich über 100 kV pro Millimeter (normierter Wert).

Gap-Filler


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 Fazit

Beide Verfahren, dispensierbare Gapfiller und vorgefertigte, ready-to-use Gapfiller haben ihre Vor- und Nachteile. Bei sehr großen Stückzahlen und einem hohen Automatisierungsgrad spricht mehr für das Zweikomponenten-System. Doch haben Wärmeleit-Pads andere Vorteile, die ihre Anwendung nahelegen.

Wir beraten Sie gerne bei der bisweilen durchaus schweren Entscheidung, welches Produkt das geeignetste für Ihre Anwendung ist. Sprechen Sie uns an!