Was macht industrielles Silikonöl für Elektronik- und Automobilanwendungen geeignet?

Hochspannungselektronik und hervorragende elektrische Isolierung

Potting und Verguss von Leiterplatten: Fortgeschrittene dielektrische Eigenschaften und Lichtbogenbeständigkeit

Silikonöl in technischer Qualität beginnt den Herstellungsprozess mit der nützlichen Eigenschaft der elektrischen Durchschlagfestigkeit eines Öls. Diese Durchschlagfestigkeit beträgt über 15 kV/mm und ist daher geeignet, gefährliche elektrische Lichtbögen in Komponenten wie Transformatoren, Leistungsmodulen und Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge (EV) zu unterbinden. Eine Isolationsstörung kann schwerwiegende Probleme wie eine thermische Durchgehung verursachen – dies resultiert aus dem Versagen der Isolation. Silikon als Polymer besitzt stabile Molekülketten, die unter Elektronenbestrahlung keine signifikanten Veränderungen erfahren, was zur Kühlung beiträgt. Dieses Öl ist zudem frei von Korona- und Dendritenentladungen und eignet sich daher zum Versiegeln von Leiterplatten in der medizinischen, Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie. Silikonöl zeichnet sich ferner dadurch aus, dass es sich nach elektrischer Belastung selbst heilen kann und seine Durchschlagfestigkeit nach der Entlastung ohne bleibende Schäden wiedererlangt. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Systeme, die Ausfälle nicht tolerieren können.

Leistungsanalyse von Silikonöl, Mineralöl und PAO-Flüssigkeiten

Sobald die Temperaturen etwa 130 °C erreichen, beginnen herkömmliche Mineralöle rasch zu zerfallen. PAO-Flüssigkeiten weisen möglicherweise eine höhere Wärmestabilität als herkömmliche Mineralöle auf, doch Silikonflüssigkeiten sind nach wie vor überlegen und zeigen eine um zwanzig Prozent höhere Lichtbogenfestigkeit. Dies ist insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen von Bedeutung, vor allem im Fall eines sich rasch verstärkenden Verschleißes von Isoliermaterialien infolge häufiger elektrischer Entladungen – beispielsweise an Gleichstrom-Schnellladesäulen. Silikon ist zudem oxidationsbeständiger; daher neigen versiegelte Transformatoren, die mit Silikonflüssigkeiten gefüllt sind, weniger zur Schlammablagerung. Folglich müssen Transformatoren mit Silikonflüssigkeitsfüllung seltener ausgetauscht werden und weisen typischerweise eine um drei bis fünf Jahre längere Lebensdauer als solche mit herkömmlichen Kohlenwasserstoffflüssigkeiten auf.

Thermische Stabilität im Automobilbereich

Beständigkeit bei über 200 Grad Celsius im Motorraum und in der Leistungselektronik

Es ist üblich, dass Automotoren und ihre Komponenten Temperaturen von 200 Grad Celsius und darüber erreichen und darin betrieben werden. Diese Hitze führt dazu, dass Schmierstoffe und Kühlflüssigkeiten wie Öle verdampfen oder sich zersetzen. Die Zersetzung von Motorölen erzeugt schädlichen Schlamm und Säuren, die die Reibung erhöhen und den Verschleiß der Motorkomponenten beschleunigen. Silikonöl hingegen zersetzt sich nicht, da seine stabile Silizium-Sauerstoff-Struktur stärker ist als die Struktur herkömmlicher Öle. In einer experimentellen Simulation bei 220 Grad Celsius über 500 Stunden kontinuierlichen Durchflusses behielt das Silikonöl etwa 95 Prozent seiner ursprünglichen Fließviskosität bei, während das konventionelle Mineralöl unter denselben Bedingungen nahezu die Hälfte seiner Viskosität verlor. Dies ist wichtig, da es die Fluidsysteme des Motors und des Abgasturboladers sauber hält. Silikonöl verlängert die Lebensdauer von Motorkomponenten um das Zweifache oder sogar Dreifache gegenüber herkömmlichem Kohlenwasserstofföl.

Validierung in der Praxis bei Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge (EV)

Diese Vorteile belegen die Anwendbarkeit im realen Einsatz bei Elektrofahrzeugen (EVs). Eine Feldanalyse wurde an einem branchenführenden, mittelgroßen EV-Modell durchgeführt, dessen Leistungswechselrichter über einen Zeitraum von mehr als 100.000 Meilen mit Silikonöl-Kühlmittel betrieben wurde. Die wichtigsten Messgrößen waren:

Parameter Silikonöl Herkömmliches Kühlmittel

Viskositätsänderung bei 200 °C < 5 % > 35 %

Anstieg der Säurezahl 0,1 mg KOH/g 2,8 mg KOH/g

Ausfallrate des Wechselrichters 0,2 % 1,7 %

Dies führte zu einer Reduzierung der wärmebedingten Garantiefälle um 40 %. Zudem verhinderte die nicht korrosive Eigenschaft des Silikonöls jeglichen chemischen Abbau der Kupferwicklungen und Polyimid-Substrate; aufgrund seiner stabilen Viskosität trug es zudem dazu bei, einen konstanten Durchfluss in Mikrokanal-Kühlsystemen sicherzustellen und so Hotspots zu vermeiden, die durch Halbleiterausfälle verursacht werden.

Einsatz von Silikonöl als Wärmeträgerfluid und Schmierstoff

`Viskositätsindex > 300` = Ausgezeichnete Schmier- und Wärmeübertragung

Silikonöl weist einen der höchsten Viskositätsindexwerte unter kommerziell erhältlichen Flüssigkeiten auf. Tatsächlich liegt der Viskositätsindex von Silikonöl über 300. Das bedeutet, dass sich die Viskosität von Silikonöl bei Temperaturschwankungen nur geringfügig verändert. Folglich kann Silikonöl effizient sowohl bei extrem hohen als auch bei extrem niedrigen Temperaturen – von −50 °C bis 200 °C – eingesetzt werden. Was bedeutet das? Das bedeutet, dass Silikonöl sowohl als wirksames Schmiermittel als auch als wirksame Wärmeübertragungsflüssigkeit problemlos genutzt werden kann. Bei Standardölen kann es bei sinkenden Temperaturen zu einer zu starken Zunahme der Viskosität kommen, wodurch die Fließfähigkeit beeinträchtigt wird; dies kann beispielsweise zu Kavitation in Pumpen führen. Silikonöl hingegen behält seine Fließfähigkeit bei und gewährleistet so eine kontinuierliche Wärmeableitung. Auf der anderen Seite des Temperaturspektrums besitzt Silikonöl eine stabile Schmierfilmdicke, die ein direktes Metall-Metall-Kontakt in Lagern verhindert und gleichzeitig den Wärmetransfer von wärmeren Bereichen ermöglicht. Die Fähigkeit, sowohl als Schmiermittel als auch als Wärmeübertragungsflüssigkeit zu fungieren, ermöglicht es Konstrukteuren, weniger komplexe Systeme zu entwerfen, da separate Kreisläufe für Schmierung und Kühlung entfallen können. Dadurch lässt sich möglicherweise die Anzahl der Komponenten in den thermischen Managementsystemen von Elektrofahrzeug-Batterien um 30 bis 40 Prozent reduzieren.

Situationen, bei denen Zuverlässigkeit entscheidend ist, umfassen beispielsweise Komponentenkühlsysteme leistungsstarker Halbleiter oder Flugzeugaktuatoren; für solche kritischen Anwendungen wird Silikonöl benötigt. Es überrascht daher nicht, dass Experten auf Silikonöl vertrauen.

Langfristige Zuverlässigkeit und Materialverträglichkeit mit empfindlicher Elektronik

Nichtkorrosives Verhalten gegenüber Polyimid-Substraten, Lötmasken und Kupfer

Silikonöl, das in der Industrie eingesetzt wird, trägt zur Zuverlässigkeit empfindlicher elektronischer Komponenten und zu deren Langzeitstabilität bei. Dies liegt daran, dass Silikonöl keine chemischen Reaktionen auslöst – im Gegensatz zu mineralölbasierten Ölen, die zu Problemen führen können. So verursacht Silikon beispielsweise keine Korrosion an Kupfer, Lötstopplacken und Polyimid-Substraten moderner Leiterplatten (PCBs) und flexibler Schaltungen. Dadurch verlieren Phänomene wie elektrochemische Migration und ein Rückgang der Isolationswiderstände insbesondere unter Einfluss von Feuchtigkeit sowie wiederholten Temperaturwechseln an Bedeutung. Zudem ermöglicht die schützende, nichtreaktive Eigenschaft des Silikons, dass Kleb- und Schutzschichten den betrieblichen Belastungen standhalten. Dies erhöht die Lebensdauer des gesamten Systems – insbesondere bei hochentwickelten Systemen, bei denen Materialversagen mit erheblichen Kosten verbunden ist.

Häufig gestellte Fragen  

Was ist die Durchschlagfestigkeit von Silikonöl für industrielle Anwendungen?
Die Durchschlagfestigkeit von Silikonöl der Industriequalität beträgt mehr als 15 kV pro Millimeter.

Welche Vorteile bietet Silikonöl gegenüber Mineralöl und PAO-Flüssigkeiten?

Im Vergleich zu Mineralöl und PAO-Flüssigkeiten weist Silikonöl eine höhere Durchschlagfestigkeit, einen breiteren Temperaturbetriebsbereich, eine bessere Oxidationsbeständigkeit sowie eine größere Viskositätsstabilität auf.

Wodurch eignet sich Silikonöl für extreme Temperaturen in Automobilanwendungen?

Da Silikonöl einem extremen Temperaturanstieg von über 200 °C standhalten und dabei weiterhin wie erforderlich funktionieren kann, lässt es sich für extreme Automobilanwendungen einsetzen.

Warum wird Silikonöl in empfindlichen Elektronikkomponenten verwendet?

Silikonöl reagiert chemisch nicht mit Kupfer, Lötmasken oder Polyimid-Substraten, wodurch die Zuverlässigkeit empfindlicher elektronischer Komponenten erhöht wird.