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

Kunststoff Art: Polykondensat Typ: Thermoplast Kürzel	Eigenschaften
	Dichte [g/cm3]	Verstärkungsstoffe	mechanisch	elektrisch	thermisch	beständig gegen
PPS	1.34 - 1.64	Glasfaser, Kohlenstofffaser	sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit auch bei hohen Temperaturen, geringe Zähigkeit, sehr geringe Kriechneigung, weitere Verbesserung durch Zusatz von 40% Glasfaser	hervorragende Isolationseigenschaften, sehr geringe dielektrische Verluste	Dauereinsatz bis 240 °C, kurzzeitig bis 270°C, schwer brennbar, selbstverlöschend, nichttropfend	bis 200°C kein Lösungsmittel bekannt, konz. Natronlauge, konz. Salz- und Schwefelsäure, gute Hydrolysebeständigkeit
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	Glasfaser, Kohlenstofffaser, Mineralstoffmehle, Glaskugeln, Kreide, Gleitmittel z.B. Grafit, MoS2	abhängig vom PA-Typ, kristallinen Aufbau und Wassergehalt, hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit, durch Verstrecken wesentlich höhere Festigkeit, nach Wasseraufnahme sehr zäh, hohe Ermüdungsfestigkeit, gute Schlagzähigkeit, hohe Kerbschlagzähigkeit, abbriebfest, gute Gleiteigenschaften durch Grafit und MoS2, erhöhte Festigkeit durch Glas - Kohlenstofffaser	abhängig vom Wassergehalt, günstiger Oberflächenwiderstand verhindert weitgehend statische Aufladung, hohe dielektrische Verluste, gute Kriechstromfestigkeit	obere Gebrauchstemp. je nach Typ 80°C bis 120°C, kurzzeitig 140°C bis 200°C, meist kochfest, sterilisierbar, schmaler Erweichungsbereich	aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Benzin, Öle, Fette, einige Alkohole, Ester, Ketone, Ether, viele chlorierte Kohlenwasserstoffe, schwache Laugen
PBT	1.29	Glasfaser, Glaskugeln, Mineralien, Talkum	sehr gute Zähigkeit bei tieferen Temperaturen, gute Steifigkeit und Festigkeit, gutes Zeitstandverhalten, geringer Abrieb bei guten Gleiteigenschaften	günstige Isolationseigenschaften, günstiges dielektrisches Verhalten, hohe Durchschlagsfestigkeit, kaum beeinflusst durch Luftfeuchte	gut wärmebeständig, Dauereinsatz von - 60°C bis 110°C, kurzzeitig höher, bei glasfaserverstärkten Typen bis 200°C, keine Neigung zur Vergilbung, sehr geringe Wärmeausdehnung, brennt mit stark rußender Flamme, tropft ab	aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe, Treibstoffe, Öle, Fette
LCP	1.40 - 1.92	Glasfaser, Mineralien	sehr hohe Präzision und Dimensionsstabilität, hohe Steifigkeit bei Anwendungen mit sehr dünnen Wandstärken, niedriger Wärme- ausdehnungskoeffizient, verstärkte gleitmodifizierte, elektrisch leitende und galvanisierbare Typen	elektrische Verluste abhängig von Oberflächenbeschichtung, gute elektrische Leitfähigkeit, je nach Typ für antistatische Anwendungen einsetzbar	Dauereinsatz 200°C bis 250°C, gutes Hochtemperaturverhalten, geringe Wärmeausdehnung, beständig bei Löttemp. <250°C, schwer entflammbar und selbstverlöschend, sehr geringe Wärmeausdehnung	sehr gute Beständigkeit gegenüber gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln z.B. Aceton, Methanol, Chlorgas, Essigsäure u.a.
PPA	1.26 - 1.85	Glasfaser, Mineralien	hohe Schlagzähigkeit verbunden mit guter Zugfestigkeit und Steifigkeit, hohe Kriechfestigkeit, sehr hohe Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen, sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme	sehr geringe dielektrische Verluste	Dauereinsatz bis 185°C, Standardtypen mit UL94-HB Einstufung, spezielle flammgeschützte Typen	sehr gute Beständigkeit gegenüber gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln z.B. Aceton, Methanol etc., wässrige Lösungen (dest. Wasser, Amoniumhydrid-10%), typ. Medien im Automobilbereich z.B. Bremsflüssigkeit, Motoröl etc.

Hybridrahmen und -gehäuse

Hybridrahmen und -gehäuse dienen als Schnittstelle zwischen Mechanik und integrierter Elektronik (Figure 1). Sie ermöglichen die Übermittlung von Signalen oder die Übertragung elektrischer Energie. Der Anschluss an die Strompfade der elektronischen Schaltkreise im Innern des Gehäuses erfolgt meist durch Bonden mit Aluminium-Drähten. Die umspritzten Leadframes werden überwiegend aus aluminiumplattierten Bändern gestanzt, die zum Bonden besonders geeignet sind. Der ins Gehäuse integrierte Stecker zur Kontaktierung der Strombahnen nach außen wird je nach Anforderung mit Zinn, Silber oder Gold beschichtet.

Figure 1: Baugruppe mit Hybridgehäuse für Einsatz im Kfz

Bandumspritzte Kontaktteile

Bandumspritzte Kontaktteile verringern die Komplexität bei der Montage der Endprodukte, die aufgrund ständig steigender Funktionalität immer größer wird und den Zusammenbau von immer mehr Einzelteilen erforderlich macht (Figure 2).

Die bandumspritzten Kontaktteile können auch während des Fertigungsprozesses entsprechenden Qualitätsprüfungen unterzogen werden, so dass die steigenden Anforderungen an die Endprodukte leichter erfüllt werden können.

Durch die Kombination von Stanz- und Spritztechnik in einem automatisierten Inline-Fertigungsprozess werden die gestanzten Kontaktteile als funktionale Baugruppe in Kunststoff eingebettet. Dabei gelingt es mit den Fertigungstoleranzen meist weit unter dem üblichen Industriestandard zu liegen und fast immer unter den von den bisherigen Montagetechniken erreichbaren Werten.

Figure 2: Beispiele für bandumspritzte Kontaktteile

Montierte Kontaktteile

Für Anwendungen und Materialien, bei denen das Bandumspritzen nicht möglich ist, können halb- oder vollautomatische Montageverfahren eingesetzt werden. Dabei werden aus verschiedenen Einzelteilen z.B. Leiterplatten, Stanzteilen oder Kontaktteilen auf Montageautomaten komplette Funktionseinheiten aufgebaut, die sich durch enge Toleranzen und hohe Funktionalität auszeichnen (Figure 3). Außerdem können Bauelemente, die sich nur sehr schwierig auf Leiterplatten oder Schaltungsträgern montieren lassen, z.B. Kondensatoren, Spulen oder Sensorelemente, bei der Montage mit anderen Teilen integriert werden. Die montierten Kontaktteile werden bereits in der Montagelinie entsprechenden Qualitäts- und Funktionsprüfungen unterzogen.

Figure 3: Beispiele für montierte Kontaktteile