Wärme-Management TIM-Stabilität: Zuverlässigkeit unter Scherbelastung

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Wenig erforscht ist das Verhalten thermischer Interface-Materialien bei einer Scherbelastung. Jetzt erleichtert eine neue Messmethode das Charakterisieren von Interface-Materialien bei mechanischer Scherung.

Hochvoltspeicher, Antriebsbatterie, Zyklenbatterie, Pufferbatterie oder Traktionsbatterie sind Synonyme für die im Boden eines Elektrofahrzeugs verbauten Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Akkupakete. Mobile wie stationäre Anwendungen einer Hochvoltbatterie verlangen hohe Sicherheitsanforderungen. Insbesondere steht die Sicherheit bei mechanischer Belastung im Vordergrund, etwa bei Scherkräften, die zwischen dem TIM und den Batteriezellen wirken. Solche Scherkräfte treten durch thermische Dehnung beim Laden und Entladen der Zellenpakete auf. Auswirkung hat auch das so genannte Battery Swelling auf das Verhalten des eingesetzten thermischen Interface-Materials, das zur Wärmeableitung notwendig ist.

Anwendung des thermischen Transientenverfahrens

Zu den wesentlichen Wirkfaktoren auf das Verhalten thermischer Interface-Materialien gehören die polymere Basis des TIM mit seiner Vernetzungseigenschaft, der Füllgrad, die Füllpartikel und die Oberflächeneigenschaften der Kontaktpartner. Die Interface-Materialien in Traktionsbatterien für die Elektromobilität sind aktuell eine besondere Herausforderung. Nachfolgend wird ein Messverfahren vorgestellt, mit dem Änderung des thermischen Widerstands im TIM unter Scherbelastung präzise gemessen werden können. Damit lassen sich Interface-Materialien zur Ableitung der Wärme für ihre jeweilige Anwendung charakterisieren und optimieren.

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Das ZFW Stuttgart (Zentrum für Wärmemanagement) befasst sich in Kooperation mit der Dualen Hochschule Baden-Württemberg seit 2009 mit TIMs und ihrem Alterungsverhalten. In dieser Zeit hat sich das ZFW als Forschungsinstitut auf diesem Gebiet weltweit einen Namen gemacht. Neben Berechnungsmethoden für die Optimierung des Wärmetransports im TIM stehen umfangreiche Mess- und Prüfmethoden zur Verfügung. Das ZFW Stuttgart stellt sein Wissen allen Industrieunternehmen sowie Entwicklungs- und Forschungseinrichtungen in Form von Dienstleistungen und Entwicklungspartnerschaften zur Verfügung.

Einfluss der Scherbelastung auf das Interface-Material

Temperaturschwankungen in einer Traktionsbatterie führen bei den verbauten Batteriezellen und dem Batteriegehäuse zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen. Ebenfalls gravierend für die Formänderung des Systems kann das Aufblähen der Batteriezellen aufgrund thermischer oder chemischer Prozesse sein (Battery Swelling). Die Folgen sind mechanische Spannungen im thermischen Interface-Material, bis hin zu einem adhäsiven oder kohäsiven Versagen. Der thermische Widerstand des TIM kann sich gravierend erhöhen, bis schließlich die Batterie überhitzt.

Im Fokus der Untersuchungen mit Belastungstests waren bisher mechanische Zug- und Druckspannungen, wie sie bei der thermischen Ausdehnung in Richtung des Wärmestroms (z-Richtung) hauptsächlich auftreten (Bild 1 links). Es wurden jetzt Messmethoden entwickelt, die die Wärmetransporteigenschaften des TIM bei definierten mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen charakterisieren. Dazu gehören zum Beispiel das Power Cycling, Vibrationsprüfungen, elektrische Prüfungen und Überlagerungen davon. Weniger beachtet wurden bis heute definierte Scherbelastungen. Diese entstehen durch Kräfte senkrecht zur Wärmestromrichtung in x- oder y-Richtung (Bild 1 rechts). Basis der Methode zur präzisen Messung des thermischen Widerstands im TIM bei definierter Scherbelastung ist das Transientenverfahren.

Betrachten wir das Messprinzip: Zur Messung des thermischen Widerstands eines TIM unter Scherbelastung wird ein Schichtaufbau erzeugt, der ähnlich der Darstellung in Bild 2 ist. Er bestehend aus einem TIM und zwei Materialproben (Material 1 und Material 2). Durch horizontales Verschieben von Material 1 kann eine definierte Scherbelastung auf das TIM ausgeübt werden. Der Schichtaufbau wird gleichzeitig mit dem thermischen Transientenverfahren charakterisiert. Hierzu wird unterhalb von Material 2 eine Wärmesenke montiert, in diesem Fall eine flüssigkeitsgekühlte Coolplate, und oberhalb von Material 1 ein Sensor (Halbleiter) befestigt. Der pn-Übergang des Halbleiters wird mit einem konstanten Strom in Form einer Sprungfunktion beaufschlagt und die Sprungantwort über einen thermisch sensitiven Parameter, wie zum Beispiel die Vorwärtsspannung desselben pn-Übergangs, gemessen. Mit einer Kalibrierung lässt sich aus der elektrischen Sprungantwort die thermische Antwort berechnen. Durch Normierung mit der eingeprägten Leistung P wird daraus die Z_th-Kurve. Diese Z_th-Kurve beinhaltet die vollständigen Informationen über den Wärmepfad vom pn-Übergang als Wärmequelle bis zur Wärmesenke.

Die Belastungsgrenze des Interface-Materials

Die Umrechnung in die sogenannte Strukturfunktion liefern die thermischen Widerstände (R_th-Werte) und Wärmekapazitäten (C_th-Werte) der einzelnen Schichten im Wärmepfad. Befindet sich im Wärmepfad vom Halbleiter bis zur Wärmesenke die TIM-Probe, dann lässt sich das thermische Interface-Material präzise charakterisieren. Bild 2 auf Seite 36 zeigt dazu beispielhaft eine gemessene Z_th-Kurve (links) als Sprungantwort und die daraus hervorgehende Strukturfunktion (rechts) in idealisierter Darstellung. Unter Scherbelastung kann sich der thermische Widerstand des TIM aufgrund mikroskopischer und makroskopischer Materialschädigung signifikant ändern. Als Folge ändert sich auch der Teil der Strukturfunktion, der das TIM repräsentiert (rote Strecke). Die thermischen Widerstände und Wärmekapazitäten der anderen Komponenten im Wärmepfad bleiben davon unberührt. Mit dem neuen Messverfahren kann die Änderung des thermischen Widerstands, abhängig vom Scherversatz ermittelt werden. Ist die Belastungsgrenze des Interface-Materials erreicht, kommt es zum Reißen des Materials oder zur Delamination. Dies ist an einem sprunghaften Anstieg des thermischen Widerstands erkennbar.

Durch die hohe Auflösung des Messverfahrens sind sowohl der Bulk-Widerstand R_th,bulk des TIM als auch die beiden Kontaktwiderstände R_K1 und R_K2 zu den Festkörperoberflächen von Material 1 und Material 2 einzeln analysierbar (Bild 3).

Abhängig sind die Kontaktwiderstände von der polymeren Basis des TIM, seinen Vernetzungseigenschaften, den Füllpartikeln und den Oberflächen der Kontaktpartner. Unter Scherbelastung des Interface-Materials spielen diese Charakteristika eine wichtige Rolle und können den gesamten thermischen Widerstand erheblich beeinflussen.

Der Messaufbau zur exakten Bestimmung

Bild 4 zeigt den Messaufbau mit einer Schubvorrichtung (links), der dazugehörigen Explosionsgrafik (mittig) und den thermischen Widerständen des Wärmepfads (rechts). Das TIM wird zwischen zwei Festkörperoberflächen (Material 1 und 2) eingeklemmt. Eine einachsige Linearführung ermöglicht eine definierte Scherbelastung, die mit einer Spindel mikrometergenau einstellbar ist. Für einmalige Versuche wird eine manuelle Vorrichtung verwendet, für Langzeitmessungen, wie beispielsweise periodische Schubbelastungen, steht ein automatisierter Aufbau mit Stellmotor zur Verfügung. Material 2 liegt auf einer Coolplate, die an ein Thermostat angeschlossen ist. Zur Ansteuerung des Halbleitersensors, der zugleich Heizquelle ist, sorgt das Gerät Simcenter T3Ster von Siemens. Im Sensor entsteht ein Wärmestrom, der durch Material 1, das TIM und Material 2 schließlich an die Coolplate als Wärmesenke abgeführt wird.

Die Schubvorrichtung des Messaufbaus findet leicht in einer Standard-Klimakammer Platz. Damit lässt sich der thermische Widerstand des TIM bei definierter Temperatur und Feuchte als Funktion der Scherbelastung messen.

Darstellung und Analyse der Messergebnisse

Bild 5 zeigt links das Ergebnis eines Scherversuchs mit einem handelsüblichen Gap Filler. Im Diagramm links sind beispielhaft die Strukturfunktionen ohne Scherbelastung (blaue Kurve) und mit Δs = 0,15 mm Scherversatz (rote Kurve) dargestellt. Es ergibt sich durch die Scherung eine Zunahme des thermischen Widerstands R_thCRACK wie folgt als

R_th,DUT+CRACK – R_th,Dut=2,3 K/W–1,4 K/W= 0,9 K/W. Rechts in Bild 5 ist der Mischbruch des Interface-Materials zu sehen, der bei weiter zunehmender Scherbelastung entsteht. Durch einen gleichzeitigen lokalen Adhäsions- und Kohäsionsbruch kommt es zur vollständigen Ablösung und zum Versagen des Interface-Materials.

Die Untersuchung des geschilderten Verhaltens von TIM ist von hoher Bedeutung, um die thermische Stabilität der Traktionsbatterie zu sichern.

* * Andreas Griesinger, Marco Pennetti, Peter Fink, und Oliver Roser ...forschen am ZFW der Dualen Hochschule Baden-Württemberg, Stuttgart.

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