Kunststoff-Metall-Verbundteile

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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
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.

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.