Kunststoff-Metall-Verbundteile

Kunststoffumspritze Baugruppen nehmen immer mehr an Bedeutung zu, da sie die Forderung nach kleiner, leichter und kompakter Bauweise und günstiger Preisgestaltung am besten erfüllen. Wo immer Mechanik und Elektronik aufeinander treffen, kommen elektromechanische Baugruppen in vielfältigen Anwendungen z.B. in der Automobil-, Kommunikations-, Hausgeräte- und Konsumertechnik zum Einsatz. Besonders häufig werden elektromechanische Baugruppen im Automobil verwendet. So werden in Hybridrahmen u.a. elektronische Bauelemente integriert, die im Motormanagement zum Einsatz kommen. Bandumspritzte Kontaktteile finden sich z.B. in Sitzverstellungen und Airbagsensoren; montierte Kontaktteile sind wichtige Funktionselemente u.a. für die Spiegelverstelleinheit.

Elektromechanische Baugruppen bestehen z.B. aus gestanzten Leiterbahnen (Leadframes), die an den Kontaktstellen mit funktionsgerechten Oberflächenschichten versehen sind. Sie bilden die elektrischen Verbindungen der elektronischen Baugruppe nach außen. Die Leadframes werden mit Kunststoff umspritzt oder in Kunststoffteile montiert. Zusätzlich können elektronische Komponenten eingebaut werden, die ein höheres Niveau der Produktintegration ermöglichen. Durch den Metall-Kunststoffverbund wird die mechanische Stabilität der Kunststoffgehäuse mit der Übertragung von elektrischer Energie und Signalen über das metallische Stanzgitter kombiniert. Auf diese Weise entstehen Gehäuse zum Schutz elektronischer Steuerungen für Maschinen und Anlagen, die gleichzeitig die Verbindung nach außen darstellen. Dies kann in Form von Hybridrahmen und -gehäusen erfolgen. Auch durch Bandumspritzen von Kontaktteilen oder durch Montage verschiedener Einzelteile können elektromechanische Baugruppen realisiert werden.

Um die geforderte hohe Funktionalität des Endproduktes zu erreichen, ist bereits in den Phasen der Planung und Entwicklung neuer „maßgeschneiderter“ elektromechanischer Baugruppen eine enge Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwender zu empfehlen. So führen einerseits das Knowhow des Herstellers in verschiedenen Bereichen z.B. in der Kontakt-, Beschichtungs-, Stanz- , Kunststoff- und Montagetechnik, andererseits das vom Anwender vorgegebene, teilweise sehr umfangreiche Anforderungsprofil für das Endprodukt häufig zu neuen innovativen Lösungen.

Neben den Kontaktteilen sind die Kunststoffe wesentliche Bausteine für elektromechanische Baugruppen. Als Kunststoffe kommen vor allem technische Thermoplaste und Hochleistungskunststoffe zum Einsatz, die den hohen Anforderungen u.a. hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Temperaturstabilität und -wechselfestigkeit genügen Table 1. Welcher Kunststoff letztlich Anwendung findet, hängt von technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ab, wobei die Umweltverträglichkeit durch Vermeidung schädlicher Inhaltsstoffe, wie Flammschutzmittel gewährleistet sein muss. Über die entsprechend der Anwendung optimale Kontaktbeschichtung und Wahl des Trägerwerkstoffes sei auf die Kap. Trägerwerkstoffe, Beschichtungsverfahren u. Anwendungen in der Aufbau und Verbindungstechnik verwiesen.

Table 1: Häufig verwendete Kunststoffe und ihre Eigenschaften

Type of Plastics: Poly-condensate Sub-Type: Thermo- plastics Abbrev.	Properties
	Density [g/cm3]	Reinforcement Materials	mechanical	electrical	thermal	resistant against
PPS	1.34 - 1.64	glass fibers, graphite fibers	very high mechanical strength and stiffness even at high temperatures, low toughness, very low creep, better properties with addition of 40% glass fibers	excellent isolation properties, very low dielectric losses	usable up to 240°C, short term up to 270°C, low combustibility, self-extinguishing, non-dripping	up to 220°C no known solvents, conc. sodium hydroxide, conc. hydrochloric and sulfuric acid, good hydrolysis resistance
PA6 PA66 PA610 PA11 PA12 A amorph	1.12 - 1.14 1.13 - 1.14 1.06 - 1.08 1.04 1.01 - 1.02 1.06 - 1.12	glass fibers, graphite fibers, mineral powders, glass beads, chalk, lubricants such as graphite, MoS2	depending on the PA type, crystalline structure and water content; high mechanical strength, stiffness, and toughness; higher mech. strength through stretching; very tough after water absorption; high fatigue strength, good impact toughness, abrasion resistant, good sliding properties through addition of graphite and MoS2; increased mechanical strength with glass and graphite fiber addition	depending on water content, good surface resistance reduces static surface charge, high dielectric losses, good resistance against creep currents	upper use temperature 80 – 120°C depending on type, short term up to 140 – 200°C, mostly boil resistant, can be sterilized, narrow softening range	aliphatic and aromatic hydrocarbons, gasoline, oils, greases, some alcohols, esters, ketenes, ether, many chlorinated hydrocarbons, weak alkaline solutions
PBT	1.29	glass fibers, glass beads, minerals, talcum	very high toughness at low temperatures, good stiffness and mechanical strength, good long term stability, low abrasion at good sliding properties	good isolation properties, good dielectric strength, little effect of humidity	good thermal stability, use temperature 60 – 110°C, short term higher, with glass reinforcement up to 200°C, low tendency to turn yellow, very low thermal expansion, burns with sooty flame and drips	aliphatic and aromatic hydrocarbons, fuels, oils, greases
LCP	1.40 - 1.92	glass fibers, minerals	very high precision and dimensional stability, high stiffness at low wall thickness, low thermal expansion coefficient; reinforced, better sliding ability, electrically conductive and suitable for electroplating types	dielectric losses depend on surface coating, good electrical conductivity; depending on type suitable for anti-static applications	use temperature 200 – 250°C, good high temperature stability, very low thermal expansion, resistant to soldering temperatures < 250°C, difficult to combust and self-extinguishing	good resistance against widely used organic solvents, i.e. acetone, methanol, chlorine gas, acetic acid
PPA	1.26 - 1.85	glass fibers, minerals	high impact strength with good mechanical strength and stiffness, very high dimensional stability at high temperatures, very low humidity absorption	very low electrical losses	use temperature up to 185°C, standard types with UL94-HB classification, special flame protective types	very good resistance against typically used organic solvents, i.e. acetone, methanol, etc., water based solutions (DI water, 10% ammonium hydride, typical liquids used in the automobile such as brake fluid, motor oil, etc

Hybrid Frames and Housings

Hybrid frames and housings serve as the connecting points between mechanics and electronics Figure 1. They allow the transmission of signals or electrical energy. The connection to the current paths inside the housing is mostly done by bonding with aluminum wires. The over-molded lead frames are typically manufactured from aluminum clad strip materials which are well suited for bonding. The connectors integrated into the housing for transferring the current paths to the outside are coated with tin, silver, or gold, depending on specific requirements.

Component with hybrid housing for use in automobiles

Continuous Strip Over-Molding

In strip form over-molded contact parts reduce the complexity of assembly of the finished product. This complexity constantly increases with adding additional subcomponents Figure 2.

The strip over-molded contact parts can be tested for various quality parameters during manufacturing to continuously ensure the ever increasing reliability requirements of the end components.

Combining stamping and molding techniques in an automated production line allows the stamped contact parts to be molded into plastics as a complete functional unit. This also allows to reduce manufacturing tolerances to levels below those achievable with conventional assembly methods.

Examples of strip over molded contact components

Examples of assembled contact components

Assembled Contact Components

For applications and materials which do not allow strip over-molding, semi or fully automated assembly processes can be utilized. Different single parts like printed circuit boards, stamped parts, or contact components are assembled together with plastic molded parts on specialized equipment to complete functional components with low tolerances and high levels of functionality Figure 3. This also allows to integrate components which otherwise are difficult to mount onto circuit boards or carriers, such as capacitors, coils, or sensor elements into the functional component assembly. Contact parts used in these components are already tested on the assembly machine for quality parameters and functionality.