Zuverlässigkeit Mechanische TIM-Stabilität unter Scherbelastung

Autor / Redakteur: Andreas Griesinger * / Gerd Kucera

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Bild 1: Scherspannung in einem thermischen Interface-Material (TIM).
Bild 1: Scherspannung in einem thermischen Interface-Material (TIM).
(Bild: ZFW)

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 strenge Sicherheitsanforderungen. Insbesondere steht die Sicherheit bei mechanischen Einwirkung im Vordergrund, etwa bei Scherkräften, die auf die Batteriezellen wirken. Solche Scherkräfte treten durch thermische Dehnung beim Laden und Entladen der Zellenpakete auf. Auswirkung hat dieses Battery Swelling auf das eingesetzte thermische Interface-Material, das zur Wärmeableitung notwendig ist.

Anwendung des thermischen Transientenverfahrens

Das Verhalten thermischer Interface-Materialien (TIM) unter definierter Scherbelastung ist bisher wenig erforscht. Die wesentlichen Wirkfaktoren sind die polymere Basis des thermischen Interface-Materials mit ihrem Vernetzungsverhalten, der Füllgrad und die Füllpartikel sowie die Oberflächeneigenschaften der Kontaktpartner. Eine aktuelle Herausforderung sind die Interface-Materialien in Traktionsbatterien für die Elektromobilität. Nachfolgend wird ein am ZFW Stuttgart entwickeltes Messverfahren vorgestellt, um Änderung des thermischen Widerstands im TIM unter Scherbelastung präzise zu messen. Damit lassen sich Interface-Materialien zur Ableitung der Wärme für ihre jeweilige Anwendung charakterisieren und optimieren.

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Warum die Scherbelastung des TIM so wichtig ist

Das ZFW Stuttgart (Zentrum für Wärmemanagement) befasst sich in Kooperation mit der Dualen Hochschule Baden-Württemberg seit 2009 mit dem Themenkomplex Termisches Interface-Marterial und insbesondere mit dem TIM-Alterungsverhalten. In dieser Zeit hat sich das ZFW als Forschungsinstitut auf diesem Gebiet weltweit einen Namen gemacht. Neben Berechnungsmethoden für die Optimierung des Wärmetransports in 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.

Temperaturschwankungen in einer Traktionsbatterie führen bei den verbauten Batteriezellen und z.B. 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 [1,2]). Die Folge sind mechanische Spannungen im thermischen Interface-Material, bis hin zu adhäsivem oder kohäsivem Versagen. Der thermische Widerstand des TIM kann sich gravierend erhöhen und die Batterie überhitzt.

Im Fokus der Untersuchungen durch Belastungstests waren bis jetzt 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 [3]. Betrachten wir nachfolgend das Messprinzip.

Zur Messung des thermischen Widerstands eines TIM unter Scherbelastung wird ein Schichtaufbau erzeugt, der ähnlich der Darstellung in Bild 2 ist. Er besteht aus einem TIM und zwei Materialproben (Material 1 und 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 Zth-Kurve. Diese Zth-Kurve beinhaltet die vollständigen Informationen über den Wärmepfad vom pn-Übergang als Wärmequelle bis zur Wärmesenke [4].

Die Umrechnung in die sogenannte Strukturfunktion liefern die thermischen Widerstände (Rth-Werte) und Wärmekapazitäten (Cth-Werte) der einzelnen Schichten im Wärmepfad. Befindet sich im Wärmepfad vom Halbleiter bis zur Wärmesenke die TIM-Probe, dann lässt sich diese präzise charakterisieren. Bild 2 zeigt dazu beispielhaft eine gemessene Zth-Kurve (links) als Sprungantwort und die daraus hervorgehende Strukturfunktion (rechts dargestellt) in idealisierter Darstellung.

Erkennen der Belastungsgrenze des Interface-Materials

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 Rth,bulk des TIM als auch die beiden Kontaktwiderstände RK1 und RK2 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 stark beeinflussen.

Messaufbau zur exakten Bestimmung der Parameter

Betrachten wir den Messaufbau. Bild 4 zeigt ihn mit einer Schubvorrichtung (links), der dazugehörigen Explosionsgrafik (mittig) und den thermischen Widerständen des Wärmepfads (rechts). Das termische Interface-Material 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 thermische Interface-Material und Material 2 schließlich an die Coolplate als Wärmesenke abgeführt wird.

Die Schubvorrichtung 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 von RthCRACK= Rth,DUT+CRACK–Rth,Dut=2,3 K/W–1,4 K/W=0,9 K/W (bei einer Probenfläche von 20 mm x 20 mm = 400 mm2). 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 ist von hoher Bedeutung. Es fordert die Automobilindustrie (und erst recht der Nutzer eines Elektrofahrzeugs) absolute Zuverlässigkeit. Schließlich bestimmen die Lebensdauer und die Zyklenfestigkeit diese Zuverlässigkeit. Nur eine sachgerechte Entwärmung der Traktionsbatterie sichert die thermische Stabilität und verhindert beispielsweise thermisches Durchgehen einer Batterie, sodass Batteriebrand vermieden wird. //KU

Quellen

[1] Budde-Meiwes, H. et al. (2013) A review of current automotive battery technology and future prospects, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 227(5), pp. 761–776. doi:10.1177/0954407013485567.

[2] Yongkun L. et al. (2020) Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries, Industrial & Engineering Chemistry Research 2020 59 (27), 12313-12318, DOI: 10.1021/acs.iecr.0c01035

[3] JEDEC STANDARD JESD51-14 (2010) Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Through a Single Path

[4] Griesinger A (2019) Wärmemanagement in der Elektronik, Theorie und Praxis. Springer Vieweg, S 160 - 172

* * Andreas Griesinger ... forscht am ZFW der Dualen Hochschule Baden-Württemberg, Stuttgart.

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