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Der Weg zu mehr Sicherheit, Komfort und Kraftstoffeffizienz

Der Weg zu mehr Sicherheit, Komfort und Kraftstoffeffizienz
Elektronische Materialien ebnen Fortschritt in Fahrzeugen

Stetige Verbesserungen bei Sicherheit, Kraftstoffeffizienz, Umweltverträglichkeit, Komfort, Intelligenz, Vernetzung und Zuverlässigkeit sind das Gebot für die Fahrzeuge der Zukunft. Zur Erreichung dieser Ziele ist eine zunehmende Elektrifizierung des Automobils erforderlich. Ob Fahrerassistenzsysteme (FAS), selbststeuernde Autos (so genannte Autopiloten), neue Batterietechnologien für Elektro- und Hybridfahrzeuge oder clevere Infotainmentsysteme – all diese Systeme enthalten Elektronikprodukte der nächsten Generation. Ohnehin basiert ein Großteil des Fortschritts im Automobilsektor auf Innovationen aus der Elektronik.

Holger Schuh, Henkel Corporation

Damit alle genannten Systeme wie erwartet funktionieren, werden unter anderem stabile Materialien und Werkstoffe benötigt, die die vorhandenen Bauteile – von Lithium-Ionen-Batteriesystemen über Kamera- und Radarsysteme bis hin zu Motorsteuerungen – verkleben, elektrisch verbinden, schützen und kühlen.

Mit Fahrerassistenzsystemen (FAS) sicherer und effizienter unterwegs

Bis jetzt werden alle Meilensteine auf dem Weg zum fahrerlosen Auto mit atemberaubender Geschwindigkeit erreicht. Dabei sind die modernen Fahrerassistenzsysteme (FAS) wohl die wichtigsten Vorstufen einer komplett autonomen Steuerung. Viele der neuen Sicherheits- und Assistenzsysteme gehören in den aktuellen Fahrzeugmodellen bereits zur Grundausstattung – man denke nur an Kollisionswarnung, Fahrwegerkennung, Parklenkassistenten, Rückseitenüberwachung, Totwinkelüberwachung, Adaptive Cruise Control oder Nachtsichtsysteme.

Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz

Fahrerassistenzsysteme sind weit mehr als eine technische Spielerei. Sie bieten Menschen auf der ganzen Welt messbare Vorteile. Darunter ist Sicherheit wohl der wichtigste. Die Einführung der FAS-Technologie hat hinsichtlich der Fahrzeugsicherheit bereits große Erfolge erzielt. Beispielsweise konnte die Zahl der Todesfälle dank der passiven Aufprallschutzsysteme wie Airbags und Sicherheitsgurte in den vergangenen vierzig Jahren um nahezu die Hälfte reduziert werden.1) Die aktiven und prädiktiven FAS-Systeme bieten einen noch größeren Kollisionsschutz, sodass bei zunehmender Verbreitung von autonom fahrenden Autos ein Rückgang der Zahl der Todesfälle um bis zu 90 Prozent zu erwarten ist.2) Potenziell können damit weltweit pro Jahrzehnt mehr als 10 Millionen Leben gerettet werden.

Für die führenden Hersteller im Werkstoffbereich sind das willkommene, jedoch wenig überraschende Neuigkeiten. Die beeindruckenden Lösungen und Prozesskenntnisse von Henkel spielen schon länger eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von moderner Automobilelektronik, insbesondere Fahrerassistenzsystemen. Hochperformante Materialien sind in der gesamten FAS-Produktpalette Garanten für optimale Funktion und langfristige Zuverlässigkeit – in den passiven Systemen wie Sicherheitsgurte und Airbagsensoren genauso wie in den prädiktiven Kollisionsvermeidungssystemen. Hochentwickelte elektronische Materialien wie Wärmeleitmaterialien, leitfähige Tinten, Dichtstoffe, Vergussmaterialien sowie Verbindungs- und Beschichtungslösungen sind feste Bestandteile einer zuverlässigen, effizienten Systemleistung.

FAS zum Laufen bringen

Der Grundstein eines jeden FAS-Produkts ist die Leiterplatte, die die elektrische Leistung erst ermöglicht. Für ihre Anfertigung ist ein großes und umfassendes Sortiment an Materialien erforderlich. Hochentwickelte Lötpasten sorgen für eine robuste und effiziente elektrische Verbindung der Bauteile mit dem Trägermaterial der Platine. Die bei Array-Bauteilen wie BGA‘s und FlipChips verwendeten Underfill-Materialien schützen empfindliche Komponenten und Lötstellen und sorgen für Zuverlässigkeit. Die modernen Leiterplatten sind bei verringerter Größe immer dichter mit Bauelementen bepackt. Bei ihrer Herstellung hat daher die effektive Ableitung der entstehenden Verlustleitungen in Form von Wärme oberste Priorität.

Die isolierten Metallsubstrate (IMS) von Henkel spreizen die auf der Platine entstehende Wärme in Geräten wie z. B. Servolenkungen, und die Wärmeleitmaterialien Bergquist Gap Pad und Gap Filler in Pad- und Flüssigform führen die Wärme von den aktiven Bauteilen ab. Diese unverzichtbaren Werkstoffe verhindern Überhitzung und letztendlich den Ausfall des Geräts.

FAS-Funktionen ermöglichen

In den anderen Bauteilen der Fahrerassistenzsysteme, etwa den optischen Systemen, spielen elektrisch leitfähige Pasten und strukturelle Klebstoffe auch abseits der Leiterplatte eine wichtige Rolle. Die Linsen und Gehäuse der bis zu zehn Kameras an Bord eines modernen mit FAS ausgestatteten Fahrzeugs werden mit nichtleitenden Klebstoffen montiert. Deren starkes Haftvermögen und geringste Ausdehnungskoeffizienten garantieren die optische Passung und eine ausfallsichere Funktion. Neben den Klebstoffen stellen zahlreiche weitere elektronische Materialien die Funktion der Kameras sicher.

Fortschrittliche Display-Designs und Technologien für die Mensch-Maschine-Interaktion spielen eine Schlüsselrolle, wenn es um den größeren Komfort für Fahrer und Beifahrer sowie verbessertes Infotainment geht. Mit den innovativen Materialien für das optische Bonding können Systemlieferanten die Klarheit der Displays optimieren.

Echtzeitdatenanalyse zur Unfallprävention

Hinter Bildaufzeichnung, Bremsfunktion und Totwinkelerkennung stehen Daten. Sie müssen erfasst und analysiert werden, um dann Reaktionen und Maßnahmen in Echtzeit zu ermöglichen. Nur so lässt sich eine effektive Unfallvermeidung realisieren. Diese Aufgabe übernehmen Prozessoren, integrierte Analogschaltungen und diskrete Stromversorgungen, in die einige der leistungsfähigsten Bauteile moderner Chipsätze integriert sind.

In Fahrzeugen kommen immer mehr Halbleiterelemente zum Einsatz. Intel berechnet für den Markt der autonomen Fahrzeugsysteme, -daten und -server bis zum Jahr 2030 ein Volumen von 70 Milliarden USD voraus.3) Nicht verwunderlich also, dass viele Chip-Hersteller neuerdings in führende Unternehmen der Automobiltechnik investieren. Intels Übernahme von Mobileye, dem Spezialisten für Sensoren auf Kamera- und Laserbasis, der geplante Kauf von NXP durch Qualcomm und Samsungs Schritt, sich Harman, einen Audiospezialisten aus den USA einzuverleiben sind eindeutige Indizien für die wachsende Bedeutung von Halbleitern in der Fahrzeugelektronik – nicht nur im Bereich FAS und Fahrzeugintelligenz, sondern auch bei Infotainment, Antriebsstrang und Fahrzeugvernetzung.

Innovative Elektronikmaterialien sind unverzichtbare Hilfsmittel auf der Ebene der Leiterplatten- und Produktmontage, aber auch auf der Ebene des Halbleiter-Packaging. Der kleine Siliziumchip, Grundlage der Halbleiterbauelemente, muss häufig mit anderen Chips im selben Package und dann auch zwischen Package und Trägermaterial/Leiterplatte verbunden werden. Dafür sind spezielle Attach-Klebstoffe erforderlich, also genau die Kernprodukte, die Henkel seit mehr als 30 Jahren als branchenführende Die-Attach-Lösungen in Form von Folien und Pasten auf den Markt bringt.

Rein unter dem Gesichtspunkt der technischen Voraussetzungen ist autonomes Fahren heute schon möglich: ob Halbleiter oder Leiterplatten, Kamerabaugruppen oder Displays – die benötigten Bausteine sind vorhanden, zumindest für die Fahrzeug-, Sensor-, Bildgebungs- und Verarbeitungstechnologie. Insgesamt fehlt jedoch für die Realisierung eines echten autonomen Fahrerlebnisses bislang die nötige Infrastruktur. Bevor nicht moderne Verkehrswege ausgebaut und die Technologien von den internationalen Aufsichtsbehörden für die Straßen freigegeben sind, wird es nur eine eingeschränkte Akzeptanz und Verbreitung fahrerloser Fahrzeuge geben. Diese Tatsache hat jedoch die OEMs im Automobilbereich nicht davon abgehalten, sich auf den Fall der Fälle vorzubereiten und mit der Installation von V2X-Kommunikationsprozessoren und -sensoren (Kommunikation von Fahrzeug-zu-Fahrzeug oder Fahrzeug-zu-Infrastruktur) bereits heute den Grundstein für handfreie, sichere, bequeme und effiziente Fahrerlebnisse der Zukunft zu legen.

Neue Energieformen als Antrieb für
neue Fahrleistungen

Während Fahrerassistenzsysteme Leben retten und den Fahrspaß erhöhen, trägt die hochleistungsfähige Batterietechnologie zum Schutz der Umwelt bei und reduziert die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern. Die weltweiten Initiativen zur Reduzierung von Kohlendioxidemissionen und die Forderungen der Verbraucher nach einer Senkung des Benzinverbrauchs waren Auslöser für das schnelle Wachstum des Marktes für Fahrzeuge mit neuem Energieantrieb (NEV-Fahrzeuge) und die Einführung von Hybridelektrofahrzeugen (HEVs).

Hybridfahrzeuge sind unter Autokäufern nach wie vor beliebt, jedoch haben Elektrofahrzeuge durch die neueren, wiederaufladbaren und leichten Lithium-Ionen-Batteriezellen, wie sie auch in den Akkus von Computern und Mobiltelefonen eingesetzt werden, neuen Aufwind bekommen. Batteriepacks werden bei zunehmender Reichweite und Leistung immer kostengünstiger und leichter. Moderne elektrische Fahrzeuge können mittlerweile bereits mehr als 350 km pro Ladung zurücklegen.

Kühlen, verbinden und schützen

Die rasante Entwicklung im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien hat zu einem beispiellosen Anstieg der Energie- und Leistungsdichte der Geräte geführt. Um die korrekte Funktion der Hochvoltbatterien auf Lithium-Ionen-Basis sicherzustellen, wird ein effektives Wärmemanagement der verschiedenen Bauteile benötigt. Schon die Überhitzung eines Teils kann eine kürzere Lebensdauer und im schlimmsten Fall ernste Sicherheitsprobleme zur Folge haben, insbesondere wenn es um entzündliche Teile wie die Elektroden in den Batteriezellen geht.

Der Bedarf nach einem zuverlässigen Wärmemanagement für die Batteriesysteme der NEV-Fahrzeuge hat dazu geführt, dass sich führende Hersteller von Fahrzeugelektronik aus der ganzen Welt mit Innovationsführern im Bereich Wärmemanagement wie Henkel zusammenschließen. Bewährte, anpassungsfähige Wärmeleitmaterialien in Pad- und Flüssigform kontrollieren die Wärme, die vom Batteriemodul mit seiner Schnittstelle zum Batteriepack und den darin befindlichen Zellen generiert wird. Stabile, leistungsstarke Wärmemanagementlösungen sorgen für eine optimierte Lebensdauer der Batterie, sichere Betriebsfunktionalität durch Isolierung und zuverlässige, straßentüchtige Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeuge.

Weder zu heiß, noch zu kalt

Nicht nur während des Fahrzeugbetriebs gilt es, die Lithium-Ionen-Batterien zu schützen. Einige Lithium-Ionen-Batteriesysteme sind temperaturgesteuert und müssen zu jedem Zeitpunkt innerhalb eines spezifischen Temperaturbereichs liegen. Das Starten des Autos bei Frost kann daher zum Problem werden. Um eine Schädigung der Zellen zu vermeiden, muss die Batterie vor dem Betrieb auf ca. 10 Grad Celsius erwärmt werden. Neue Entwicklungsarbeiten im Bereich der gedruckten Elektronik haben eine Tinte mit positivem Temperaturkoeffizienten und selbstregulierenden Eigenschaften hervorgebracht, die die vorgegebene Temperatur nicht überschreitet. Dank der schnellen Wärmekapazität der Tinte können die Batteriezellen vor dem Start des Fahrzeugs erwärmt und so vor Schaden bewahrt werden. Die Technologien werden derzeit von führenden Fahrzeugelektronikherstellern evaluiert. Die Ergebnisse sind vielversprechend.

Hochentwickelte Materialien für fortschrittliche Fahrzeuge

Neben dem Batteriepack ist der Wechselrichter wichtig, der die gespeicherte Energie aus der Batterie zieht, um den elektrischen Motor anzutreiben. Wie schon bei den Batteriekomponenten ist auch bei den Gleichstromumwandlern eine effektive Wärmeableitung mithilfe von Wärmeleitmaterialien leistungskritisch. Dazu kommt, dass die von den Wechslern geleiteten Schaltfrequenzen so hoch sind, dass zuverlässige Verbindungsmaterialien benötigt werden, die eine Alternative zu den Lotpasten bieten. Zu diesem Zweck setzt Henkel bereits Silber-Sinterpasten ein.

In den Motorsteuerungen für das Batteriemanagement hingegen sorgen weitere fortschrittliche Materialien wie Lötmittel, Leiterplatten-Schutzlacke, Vergussmassen und Pasten gemeinsam für den effizienten Betrieb der NEV.

Im gesamten Automobilsystem sind modernste elektronische Materialien Protagonisten für die zuverlässige Leistung von FAS-Technologien, die dauerhafte Verbindung elektronischer Funktionen und das Temperaturmanagement kritischer Batteriekomponenten. Die Schutz- und Dichtungsmaterialien bilden darüber hinaus einen Schutzwall gegen schädliche Umwelteinflüsse und Funktionsbeeinträchtigungen. Im Zusammenspiel mit den führenden Herstellern von Fahrzeugelektronik sind die Entwickler und Hersteller innovativer neuer hocheffizienter Werkstoffe Wegbereiter für Sicherheit auf den Straßen, bessere Fahrzeugsteuerung, höheren Komfort und niedrigere Emissionen.

www.henkel.de


Literaturhinweise

  1. A. LaFrance, “Self-driving Cars could save 300,000 Lives per Decade in America”, The Atlantic, September 2015
  2. B. Crew, “Driverless Cars could Reduce Traffic Fatalities by up to 90 %, says Report”, Science Alert, October 2015
  3. E. Sperling, “Intel to Buy Mobileye”, Semiconductor Engineering, March 2017


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