Oberflächenverfahren für die Elektroindustrie
Die Anforderungen, welche an die Oberfläche gestellt werden, umfassen neben der elektrischen Leitfähigkeit, der Lötfähigkeit, der Duktilität und der Beständigkeit gegenüber Oxidationen oftmals auch noch eine Vielzahl bauteilindividueller weiterer Eigenschaften. Hierzu zählt zum Beispiel eine erhöhte Verschleißfestigkeit bei Mehrfachsteckungen oder der Korrosionsschutz bei kraftschlüssigen Verbindungen verschiedener Werkstoffe durch eine gezielte elektrochemische Potentialverschiebungen der sich berührenden Oberflächen.
Ebenso müssen elektronische Bauteile oftmals schnellen und stetig wiederkehrenden Temperaturwechseln und damit einhergehenden Zug- und Druckspannungen widerstehen, Schwingungen und Erschütterungen standhalten sowie unter verschiedensten klimatischen Bedingungen zuverlässig funktionieren.
Nicht nur für die Bauteile selbst, sondern auch für die funktionellen Oberflächen sind dies Herausforderungen, bei denen es auf ein optimales Zusammenspiel zwischen Engineering, Grundsubstrat und Oberflächenveredelung ankommt. Die Holzapfel Group verfügt über eine mehr als 75-jährige Expertise im Bereich der Oberflächenveredelung und trägt mit ihrem notwendigen Know-how ihren Schritt dazu bei, dass Ihre Produkte diesen Anforderungen bestmöglich begegnen.
Mit unseren im Serieneinsatz befindlichen Single-, Duplex- und Triplexschichtsystemen decken wir eine Vielzahl möglicher Schichtsysteme ab und entwickeln im Bedarfsfall, mit unserer Expertise in der Oberflächentechnik, individuelle Lösungen für Ihre Oberflächenanforderungen.
Die Holzapfel Group bietet Ihnen funktionelle Oberflächen auf Buntmetallen, Aluminium sowie Stählen vom Steckverbinder über Kabelschuhe, Busbar und Stromschienen bis zum Gehäuse . Unser Oberflächenportfolio umfasst dabei das Verkupfern, Sulfamatvernickeln, Mattverzinnen sowie Glanzverzinnen. Zudem ist auch eine Beschichtung mit chemisch Nickel-Phosphor möglich.
Für besondere Anwendungsfälle lassen sich auch elektrisch nichtleitende oder besonders passive Oberflächen erzeugen. Hierbei ist es möglich Aluminium zu eloxieren oder zu passivieren. Auch ist es möglich nichtleitende Oberflächen zu erzeugen mittels Pulver- oder KTL-Beschichtung welche wir partiell mittels Laser entschichten können. Unsere Beschichtungslösungen sind sowohl als Einfachbeschichtungen als auch als Duplex- und Triplexbeschichtungslösungen verfügbar.
Unsere Verfahrenstechnik umfasst dabei neben der klassischen Gestell- und Schüttgutveredelung auch zahleiche bei uns entwickelten Artikelspezifische Sonderlösungen der Marke Holzapfel wie zum Beispiel partielle Beschichtungslösungen auf verschiedenen Grundsubstraten und speziellen, auf das jeweilige Verfahren abgestimmten, Maskierungen.
Unsere Use Cases in der Elektro-Branche
Hand-Held-Laser Medizintechnik
Hand-Held-Laser in der Medizintechnik sind hochspezialisierte Werkzeuge. Die eingesetzten Diodenlaser erzeugen dabei ein Licht mit einer Wellenlänge im nm Bereich welches besonders gut von durchblutetem Gewebe absorbiert wird. Dies macht sie zu einem idealen Instrument für präzise chirurgische Eingriffe, z.B. an den Zähnen und im Mundbereich. Beispielsweise ermöglichen sie eine minimalinvasive Behandlung von Parodontitis und Periimplantitis durch effiziente Dekontamination der betroffenen Bereiche, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen. Nicht nur in der chirurgischen Zahnmedizin, sondern auch in der Endodontologie und bei der Behandlung überempfindlicher Zahnhälse stellen Diodenlaser eine wesentliche Erweiterung der therapeutischen Möglichkeiten dar. Ihr Einsatz ist schmerzarm und führt oft zu einer schnelleren Heilung, welche wichtigen Faktoren für den Patientenkomfort und die Patientenzufriedenheit darstellen.
Aufgabenstellung
Bei in der Medizintechnik eingesetzten Hand-Held-Lasern werden an die Beschichtung des Außengehäuses zwei völlig unterschiedliche Ansprüche gestellt. Während die Innenseite des Außengehäuses eine funktionelle Passivität der Oberfläche erfordert, benötigt die Außenfläche eine Oberfläche, die neben einer optisch ansprechenden, beanspruchbaren und haptisch angenehmen Oberfläche zusätzlich die Fähigkeit besitzt sterilisierbar zu sein.
Die Holzapfel Group hat sich dieser nicht alltäglichen Herausforderung gestellt.
Lösung mit Mehrwert
Mittels eines mehrstufigen Verfahrens wird das Außengehäuse des Hand-Held-Laser aus Aluminium eloxiert und dann im Anschluss innen passiviert.
Die Innenseite des Gehäuses wird bei dem eingesetzten mehrstufigen Verfahren zuverlässig von der, von Natur aus ungleichmäßigen Oxidschicht des Aluminiums, befreit und durch eine definierte dünne und beständige Konversionsschicht ersetzt, welche wirkungsvoll und dauerhaft die Aluminiumoberfläche passiviert und vor einer erneuten Oxidation schützt. Im Gegensatz zu einer eloxierten Oberfläche bietet die erzeugte passivierende Konversionsschicht den, für die Funktion des Gerätes wichtigen Vorteil, dass diese die elektrische Leitfähigkeit nicht verhindert.
Die Außenseite des Gehäuses erhält durch die Eloxalschicht neben einer ansprechenden Optik auch eine angenehme Haptik. Die erzeugte Eloxalschicht ist zudem kratzfest und mechanisch beanspruchbar. Wichtig, für ein medizinisch eingesetztes Gerät, ist auch die Eigenschaft, dass die Oberfläche problemlos bei 135°C sterilisiert werden kann.
Die auf der Außenseite des Gehäuses erzeugte Eloxalschicht ist dabei von der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde FDA für den Dentalbereich zugelassen.
Das Gehäuse des Hand-Held-Laser besteht insgesamt aus 3 Einzelteilen, welche mittels Bajonettverschlüssen miteinander verbunden sind. Daraus ergibt sich ein hoher Anspruch an die Passgenauigkeit der Bauteile sowie ein optisch stets einheitliches Erscheinungsbild. Das bei der Holzapfel Group eingesetzte Eloxalverfahren bietet das erforderliche Höchstmaß an Reproduzierbarkeit und die Einhaltung geringster Toleranzlagen.
Interessant für
Medizintechnik
Partielles Verzinnen garantiert Funktionstüchtigkeit von Shunts für Transformatoren
Im Bereich der Elektrotechnik werden Shunts eingesetzt, um die tatsächlich anliegende Stromstärke zuverlässig zu messen. Shunts werden, bezogen auf ihre tatsächliche Funktionalität, auch als Nebenwiderstand oder Präzisionswiderstand bezeichnet. Das Funktionsprinzip von Shunts basiert darauf, dass der Shunt in Serie zum Hauptstromkreis geschaltet wird. Über die beiden Anschlüsse des Shunts wird dann der Spannungsabfall, der durch den durchfließenden Strom verursacht wird, gemessen.
Der gemessene Spannungsabfall am Shunt lässt sich mittels des ohmschen Gesetzes direkt in die Stromstärke umrechnen bei bekanntem Widerstand des Shunts. Die Shunts bestehen zumeist aus massiven und robusten Metallbändern aus Kupfer oder seinen Legierungen und enthalten zwischen den zwei Anschlussstücken einen Widerstand, der typischerweise niederohmig ist. Die Materialwahl für Shunts fällt häufig auf Legierungen wie Manganin, Isotan oder Isabelin, die neben einem geringen spezifischen Widerstand besonders stabile Resistenzeigenschaften über einen breiten Temperaturbereich aufweisen und eine minimale Thermospannung gegenüber Kupfer haben. Diese Eigenschaften sind entscheidend, da sie die Genauigkeit der Strommessung über verschiedene Betriebsbedingungen hinweg sichern.
Aufgabenstellung
Da die Shunts aus Kupfer und seinen Legierungen hergestellt werden, neigen diese dazu, Oxide auf der Oberfläche zu bilden die, je nach Umgebungsbedingungen und Einsatzzeit, neben einer schlechten thermischen Leitfähigkeit auch zu einer elektrischen Isolation führen können und somit auch die Messungen beeinflussen können.
Shunts die beispielsweise bei der Energieerzeugung in Transformatoren verbaut werden und Laufzeiten von mehreren Jahrzenten vorweisen müssen und gewartet zu werden, benötigen hierfür einen entsprechenden Schutz der Oberfläche.
In der Praxis hat sich hierfür Zinn als geeignete Oberfläche bewährt. Zudem bietet eine verzinnte Oberfläche die Möglichkeit einer hervorragenden Lötbarkeit. Um negative Effekte zu verhindern welche die Messgenauigkeit als auch die Haltbarkeit betreffen ist es somit erforderlich den Bereich des Präzisionswiderstandes nicht zu verzinnen.
Lösung mit Mehrwert
Zur Erreichung der kundenseitigen Anforderungen entwickelte die Holzapfel Group ein mehrstufiges Verfahren welches neben einer künstlichen Alterung des Basissubstrates vor der Beschichtung auch die galvanische Verzinnung als auch, im Bereich des Präzisionswiderstandes, die Entschichtung umfasste.
Die künstliche Alterung des Grundsubstrates führt hierbei zu einer Reduzierung innerer Spannungen im Grundsubstrat und somit zu einer Verbesserung bei der Ausbildung der intermetallischen Phase beim Verzinnen bei reduzierter Neigung zur Whiskerbildung.
Die partiellen Verzinnung des Endproduktes bietet dem Kunden die Möglichkeit die benötigte Messelektronik stoffschlüssig mittels verlöten auf dem Shunt zu platzieren während der partiell entschichtete Präzisionswiderstand exakt und unverfälschte Messwerte ermöglicht.
Interessant für
- Energiebranche / Erneuerbare Energien
- Mess- und Regeltechnik (Messgeräte)
- Leistungselektronik (Baugruppen zur Stromüberwachung und –regelung)
- Elektrotechnik (bspw. Steuerungsgeräte)
- Sonnenkollektoren / Photovoltaikzellen
Mit lötfähig gemachtem Aluminium lassen sich Gewicht und Kosten sparen - und so werden manche Anwendungen im Leichtbau durch Oberflächentechnik erst möglich gemacht!
Um Produkte wettbewerbsfähiger zu gestalten ist es erforderlich sowohl die einzelnen Bauteile als auch die Herstellprozesse und eingesetzten Werkstoffe zu betrachten. Die Zielstellung dabei ist es bestehende Prozesse zu optimieren und die Kosten zu senken bei gleicher oder verbesserter Qualität, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und vollem Erhalt, wenn nicht gar einer Verbesserung, der Bauteileigenschaften.
Speziell bei Komponenten, die der Elektronindustrie zuzuordnen sind, wie beispielsweise Kühlkörper, wird aufgrund der guten mechanischen Herstellbarkeit sowie Wärmeleitfähigkeit vielfach Kupfer eingesetzt. Kupfer hat mit einer Dichte von 8,93kg/dm³ und einer Wärmeleitfähigkeit von 394 W/m*K. Eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, hat jedoch auch ein hohes Gewicht und einen hohen Einkaufspreis.
Ohne schützende Oberfläche oxidiert Kupfer sehr schnell und bildet dabei stabile Oxidschichten. Diese Oxidschichten beeinträchtigen die thermische Leitfähigkeit des Kupfers deutlich. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) liegt bei ungefähr 20 W/(m*K) und die von Kupfer(II)-oxid (CuO) noch niedriger, etwa 4 bis 6 W/(m*K). Daher kann eine Schicht von Kupferoxid auf einem Kupferobjekt als thermische Barriere wirken und den Wärmetransport verschlechtern.
Da auf den Kühlkörpern die elektronischen Komponenten in der Regel stoffschlüssig aufgelötet werden zur Sicherstellung der Wärmeübertragung werden die Kühlkörper vielfach galvanisch verzinnt.
Als wirtschaftlich attraktive Alternative zum Kupfer bietet sich hierbei Aluminium an.
Aluminium wiegt mit einer Dichte von 2,7kg/dm³ weniger als 1/3 als Kupfer, ist preislich deutlich attraktiver und kann sowohl spanend als auch im Strang- oder Druckgussverfahren in die passende Bauteilform gebracht werden. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium beträgt mit 235 W/m*K zwar nur ca. 60% derer des Kupfers, doch kann hier bereits durch eine geringfügige Vergrößerung der Oberfläche ein vergleichbares Ergebnis bei deutlich besserer Gesamtwirtschaftlichkeit erreicht werden.
Auch das Aluminium benötigt als Schutz vor einer, als thermische Barriere wirkenden Oxidschicht (Al2O3) mit einer Wärmeleitfähigkeit von nur20 bis 30 W/(m*K), und für eine stoffschlüssige Lötverbindung geeignete Oberfläche welche die, durch die Grundsubstratveränderung erzielten Kosteneinsparungen, nicht wieder egalisiert.
Aufgabenstellung
Bei einem elektronischen Bremsregelsystem im automobilen Anwendungsbereich wurde das, mit der Leistungselektronik stoffschlüssig verbundene Kühlblech, aus Kupfer hergestellt und anschließend galvanisch verzinnt.
Zur Realisierung von kundenseitig initiierten Einsparpotenzialen wurde der bisher eingesetzte Werkstoff – Kupfer – durch das Leichtmetall Aluminium ersetzt. Neben den geringeren Material- und Herstellungskosten ergibt sich aus der Gewichtsreduzierung um rund 2/3 auch eine positivere CO2-Bilanz des Gesamtproduktes.
An die Holzapfel Group wurde hierbei die Herausforderung herangetragen ein geeignetes Beschichtungsverfahren zu entwickeln, welches sowohl die technischen Anforderungen bezüglich des Schutzes vor Oxidation und die Lötfähigkeit erfüllt und dabei gleichzeitig wirtschaftlich attraktiv bleibt.
Lösung mit Mehrwert
Die Holzapfel Group entwickelt hierzu ein wirtschaftliches und lötfähiges One-Layer-Beschichtungssystem auf der Basis von chemisch Nickel-Phosphor welches keine zusätzliche Zinnschicht (Duplex-Beschichtung) als Funktionsschicht für die stoffschlüssige Lötverbindung zwischen Kühlblech und Leistungselektronik benötigt.
Die Entwicklung des Beschichtungssystems erforderte zusätzlich eine, an die veränderten Rahmenbedingungen angepasste, individuelle Gestellentwicklung, welche neben den hohen Anforderungen an die Beschichtungsgüte der Funktionsflächen auch eine Optimierung der maximalen Ausbringungsmenge zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit enthielt.
Um der Zielstellung, einer wertstromoptimierten Verlötung der beschichteten Kühlbleche mittels Lötpaste, ohne weitere Reinigungs- oder Aktivierungsprozesse gerecht zu werden, wurde gemeinsam mit dem Kunden eine via Skip-Lot-Verfahren durchgeführte fertigungsbegleitende Stichprobenprüfung entwickelt, welche den Prozessablauf in der automatisierten Weiterverarbeitung beim Kunden simuliert.
Wertstromoptimierung als weiterer Vorteil
Während der insgesamt rund zweijährigen gemeinschaftlichen Entwicklungsarbeiten bis zur Serienreife wurde zudem von der Holzapfel Group die Bestückungspositionierung auf den Gestellen so ausgelegt, dass das Bauteilhandling in allen Stufen der Bearbeitung stets unter ergonomischen als auch unter wirtschaftlichen Aspekten optimiert abläuft.
Dabei wurde zudem berücksichtigt, dass die Bauteile nach der Beschichtung in den entsprechenden Kundenblistern so positioniert sind, dass diese automatisiert entnommen und weiterverarbeitet werden können.
Technische Details und Vorteile der lötfähigen chemisch Nickel-Beschichtung:
- Lötfähigkeit
- Funktionelle Oberfläche für Korrosions- und Verschleißschutz
- Maßhaltige Beschichtung
- Hohe chemische Beständigkeit
- Hohe Abriebfestigkeit
- Blei- und cadmiumfreier Schichtaufbau
Interessant für
- Automotive
- Elektronische Steuer- und Regelgeräte
- Elektroindustrie- bspw. Kühlkörper (Stanzkühlkörper, Druckgusskühlkörper), Gehäuse für Steuerungstechnik, leistungselektronische Geräte
- Mikroelektronik
- Maschinenbau
- Anlagentechnik
- Medizinindustrie / Medizinische Geräte
- Feinmechanik / Optische Industrie
- Luft- und Raumfahrtindustrie
Christoph Dietrich
Vertriebsmanager New Business Holzapfel Group
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Wir stehen Ihnen gerne zur Verfügung.
