Kunststoff-Metall-Verbundteile

From Electrical Contacts
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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
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 Glasfaser,
Mineralien
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 Glasfaser,
Mineralien
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

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.

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.

Beispiele für bandumspritzte Kontaktteile
Beispiele für montierte 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.