Kunststoffe in der Elektronik, Elektrotechnik und Optik Allgemeine Einführung und Vorstellung eines Projektbeispiels der FH Nordhausen: - Optisch-elektrischer Kombinationsleiter Vortrag zum 57. Treffen des Sächsischen Arbeitskreises Elektroniktechnologie an der Fachhochschule Nordhausen Diplom-Chemikerin Christina Kloß 1
Gliederung Allgemeine Einführung Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, Elektrotechnik und Optik In Elektronik und Elektrotechnik eingesetzte Kunststoffe Einfluss von Additiven und Füllstoffen Vorstellung optisch-elektrischer Kombinationsleiter - CONDUS 2
Einführung weltweite jährliche Produktion von Kunststoffen: z. Z. ca. 200 bis 250 Mio. t, in Deutschland zwischen 2007 und 2009 Produktion von 17 und 20 Mio. t, ca. 7,4 % der produzierten Kunststoffe Anwendung in Elektronik und Elektrotechnik Quelle: www.plasticseurope.org/documents/document/20100803132409-grafiken_zur_wpk_2010.pdf 3
Was sind Kunststoffe? Kunststoffe sind Werkstoffe, die künstlich oder durch Abwandlung von Naturprodukten entstehen und aus organischen Makromolekülen aufgebaut sind. Stäbchenmodell von PP aus Wikipdia.org/wiki/Kunstsoffe PC-Granulat Makromoleküle = Riesenmoleküle, bei denen viele kleine Moleküle (Monomere > 1.000 Stück) zu einem großen Polymer verknüpft sind mittlere Molmassen von 10 4 bis 10 6 g/mol 4
Einteilung der Kunststoffe Fachhochschule Nordhausen Kunststoffe werden nach dem molekularen Aufbau, dem Verhalten beim Erwärmen/Schmelzen und den mechanischen Eigenschaften in folgende Gruppen eingeteilt: z. B. PMMA, PC z. B. MF, Silicon, PUR Thermoplaste (amorph Plastomere) = verknäuelte Fadenmoleküle, spröde und harte Werkstoffe, thermoplastisch formbar Duroplaste (amorph - Duromere) = Raumnetzmoleküle mit engmaschiger, starker chemischer Verknüpfung, Werkstoffe hart und unlöslich, nicht schmelz- und schweißbar, Elaste (Elastomere) = weitmaschiger, schwächer vernetzt, Makromoleküle stärker verknäuelt und daher dehnbarer Thermoplaste (teilkristallin) = unverzweigten gleichartigen Ketten ist eine Teilkristallisation als dichte Packung zwischen amorphen Bereichen möglich, höhere Zugfestigkeit, Beständigkeit, thermoplastisch formbar z. B. PP, PTFE, PE 5
Vorteile von Kunststoffen Fachhochschule Nordhausen Siegeszug der Kunststoffe - wegen ihrer Modifizierbarkeit (Werkstoffe nach Maß) breites Eigenschaftsspektrum, anwendungsspezifisch anpassbar, relativ geringes Gewicht (niedrige Dichte) Vergleich mittlere Dichten: Kunststoffe: ca. 1 bis 1,2 g/cm³ Glas: ca. 2,5 g/cm³ Eisenwerkstoffe: 7,8 g/cm³ Isolator (elektrisch, Wärme, Schall) Beständigkeit gegen Korrosion preisgünstig, relativ energiegünstig und vollautomatisiert verarbeitbar (leicht formbar, färbbar, metallisierbar) recyclebar 6
Nachteile von Kunststoffen Fachhochschule Nordhausen im Vergleich zu anderen Werkstoffen geringere mechanische, thermische und Formfestigkeit werden von Licht, Wärme und Sauerstoff beeinflusst (Alterung) meist brennbar schwierig auszubessern, Reparatur lohnt sich nur selten Abfallproblematik (große Menge von Kunststoffabfällen und deren unterschiedliche Zusammensetzung, zudem besitzen viele Kunststoffe eine große Umweltbeständigkeit) vorher Ausfall bei 150 C 6h Brennbarkeit von PE und PS 7
Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, Elektrotechnik und Optik - 1 Elektrische Eigenschaften gutes bis ausgezeichnetes Isolationsverhalten (Durchgangs- und Oberflächenwiderstand), elektrisches Festigkeitsverhalten (Kriechstromund Durchschlagsfestigkeit), dielektrisches Verhalten, elektrischer Leiter Mechanische Eigenschaften Flexibilität, Steifigkeit, gute Schlag- und Kratzfestigkeit, hohe Reißdehnung, Dimensionsstabilität 8
Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, 100 Elektrotechnik und Optik - 2 90 Optische Eigenschaften 80 70 Transmission, Transparenz, Trübung, Brechzahl, Abbe-Zahl Reflexionsgrad Transmission in % 60 50 40 30 20 10 Transmissionskurve transparentes TPU 0 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Welllenlänge in nm Verarbeitungseigenschaften niedrige Temperaturen, wenig Energie geringe Kosten Spritzguss / Extrusion 9
Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, Elektrotechnik und Optik - 3 Thermische Eigenschaften Gebrauchstemperaturen, Wärmeformbeständigkeit thermische Ausdehnung, Wärmeleitfähigkeit Brennbarkeit und Brandverhalten Dauergebrauchtemperaturen über 150 C PVDF, PEEK, PSU, PPS, PEI Ersatz für Metalle oder Keramik Kostenersparnis Andere Eigenschaften Dichte Wiederverwertbarkeit Beständigkeit gegen UV-Strahlung chemische Beständigkeit 10
Eingesetzte Kunststoffe - Standard Thermoplasten 1 PVC amorph, flexibel durch Weichmacher, Eigenschaftseinstellung entsprechend Anforderungen, gute Abriebfestigkeit, gute elektrische Eigenschaften Kabelisolierungen und -ummantelungen, Stecker, Schrumpfschläuche, Isolierbänder PE teilkristallin, thermoplastisch, Isolierbänder der Firma unterschiedliche Dichte (HDPE, LDPE), Coroplast weich bis steif, hohe Zähigkeit und Reißdehnung, sehr gute elektrische Eigenschaften, gute Beständigkeit Isolierung von Fernmelde- und Hochspannungskabel, Isolationsrohre, Verteilerdosen, Kabelbinder, Hauben für E-Motoren 11
Eingesetzte Kunststoffe - Standard-Thermoplasten 2 PP teilkristallin, thermoplastisch, relativ fest und steif, extrem gute Chemikalienbeständigkeit, kaum Spannungsrissbildung, elektrische Eigenschaften wie PE Trafo- und Batteriegehäuse, Folien, Draht- und Kabelummantelungen, Steckdosen und Schalter, Antennenzubehör SAN amorph, ca. 24 % AN, steif, höher schlagzäh als PS, hohe Oberflächenhärte, sehr gute elektrische Eigenschaften Gehäuseteile, Bedienknöpfe, Abdeckungen, Streuscheiben 12
Eingesetzte Kunststoffe - Technische Konstruktionskunststoffe 1 PC amorph, thermoplastisches Polyester, transparent, sehr steif, fest, aber zäh, gute Wärmeformbeständigkeit und Flammenwidrigkeit, mäßig gute Isoliereigenschaften Spulenkörper, Gehäuse, Schalter, Stecker, Substrat für optische Speicher, Lichtwellenleiter Gehäuse aus PC PMMA amorph, thermoplastisch, sehr steif, fest, spröde, harte Oberfläche, glasklare Transparenz, witterungsbeständig, spannungsrissempfindlich Gehäuse, Lichtwellenleiter, Substrat für optische Speicher, Flachbildschirme, Photovoltaik-Elemente Lichtwellenleiterstränge aus PMMA 13
Eingesetzte Kunststoffe - Technische Konstruktionskunststoffe 2 Fachhochschule Nordhausen PA 6 / PA 66 teilkristallin, sehr gute Zähigkeit, große Oberflächenhärte, gute Abriebfestigkeit, gute Wärmeformbeständigkeit, relative hohe Wasseraufnahme, elektrische Eigenschaften wie PE Spulenkörper, Steckverbinder, Taster, Gehäuse für Leitungsschutz- und Fehlerschutzschalter, abriebfeste Kabelüberzüge etc. Weitere Werkstoffe z. B. ABS, POM, PPO, PBT, PET, TEP 14
Eingesetzte Kunststoffe - Hochleistungskunststoffe 1 PSU Fluorpolymere wie PTFE, FEP, PVDF amorphe Thermoplast, sehr hohe Formbeständigkeit in der Wärme, Dauereinsatz bis 190 C steif, hart und zäh, glasklar, gelbstichig bis bernsteinfarben hohe Hydrolyse- und Chemikalienbeständigkeit, günstiges Brandverhalten Teile für Leitungsschutzschalter, Schalter, Stecker, Schaltungsträger, Spulenkörper, Ummantelungen von Sicherungen, Chip Carrier teilkristallin, sehr reaktionsträge hohe Beständigkeit, nicht entflammbar, relativ weich, bestes Gleit- und Antihaftverhalten sehr hohe Wärmestandfestigkeit (kurzzeitig bis 300 C), hervorragende elektrische und dielektrische Eigenschaften Isolier- und Mantelwerkstoff, Wafer Carrier, Transistorsockel, Isolatoren in der Starkstromund HF-Technik, Schrumpfschläuche für elektrische Bauteile 15
Eingesetzte Kunststoffe - Hochleistungskunststoffe 1 Silicon Elastomere bzw. duroplastische Polymere mit Grundgerüst aus alternierenden Silicium- und Sauerstoffatomen hoch temperaturstabil, gut kältebeständig z. T. sehr gut transparent, flexibel, dämpfungsarm, hohe Beständigkeit gegenüber Bewitterung, Ozon und UV- Strahlung hohe Durchschlagsfestigkeit und Lichtbogenfestigkeit Eigenschaften sind über weiten Temperaturbereich nahezu konstant Anwendung zum Vergießen von LEDs, optische Lichtwellenleiter zur Integration auf Leiterplatten, Kabelgarnituren in der Hochspannungstechnik, Kabelisolation und -mäntel n Weitere Werkstoffe z. B. PEEK, LCP, PEI, OLED 16
Einfluss von Additiven und Füllstoffen F 1 Fachhochschule Nordhausen Additive und / oder Füllstoffe Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten Ziele dabei gezielte Veränderung oder Erzeugung bestimmter Eigenschaften Senkung der Materialkosten Veränderung der mechanischen Eigenschaften Zugabe von Füllstoffen zur Veränderung der Zähigkeit, Festigkeit, Steifigkeit, Kriechverhalten Additive = Mineralien wie Talkum, Glaskugeln oder Fasern (Glas- oder Kohlefasern) Anstieg E-Modul, Senkung der Bruchdehnung Zugabe von fein verteilten Elastomerpartikeln Senkung E-Modul, Erhöhung Flexibilität 17
Einfluss von Additiven und Füllstoffen F 2 Fachhochschule Nordhausen 18 16 mechanische Eigenschaften 14 12 10 8 6 Bruchdehnung E-Modul 4 2 0 0,8 1,8 2,8 3,8 4,8 5,8 6,8 7,8 Füllstoffgehalt 18
Einfluss von Additiven und Füllstoffen F 3 Verarbeitungshilfsmittel für schnellere und kostengünstigere Verarbeitung Fließhilfsmittel - gezielte Beeinflussung der Verarbeitungsviskosität (Viskositätserhöhung MgO, synthetische Kieselsäure; Viskositätserniedrigung epoxilierte Fettsäuren) Keimbildner - Erhöhung Kristallisationsgeschwindigkeit und grad in teilkristallinen Thermoplasten (Verkürzung der Spritzgusszeiten, niedrige Nachkristallisation; feinkörnige Stoffe = Talkum, Kaolin synthetische Kieselsäure) Schmiermittel - Erhöhung der inneren Gleitfähigkeit bei der Formgebung (Fließverbesserung, Absenkung Haftung zwischen Kunststoff und Metallform; Kohlenwasserstoffe, Carbonsäureester, Alkohole, Ketone aber auch Metallsalze etc.) 19
Einfluss von Additiven und Füllstoffen F 4 Stabilisierung Verzögerung bzw. Verhinderung der Alterung UV-Lichtschutzmittel durch UV-Licht Farbveränderungen oder Abfall der mechanischen Eigenschaften möglich; eingesetzt werden UV-Absorber (wandeln UV-Strahlung in Wärme um, z. B. Ruß, Benzophenone, Cyanacrylate) und Quencher (Löscher, leiten Photoenergie ab, Nickelchelate) Antioxidantien Verhinderung des oxidativen Abbaus (z. B. aromatische Amine oder Thioester Abfangen von Radikalen, Umwandlung von Peroxiden) Flammenschutzmittel Brandverhinderung bzw. Verzögerung der Brandausbreitung halogenhaltige Flammenschutzmittel Bildung von Halogenradikalen, die in Radikalkettenmechanismus des Brandes eingreifen phosphorhaltige Flammenschutzmittel begünstigen Verkohlungen an brennenden Substratflächen (Schutzschicht) anorganische Flammenschutzmittel Wärmeentzug, Oxidschutzschicht (Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid) 20
Der optisch-elektrische Kombinationsleiter DE 103 42 370 Defekt Störlichtbogen optisch-elektrischer Wandler mit Auswerteeinheit Querschnitt des CONDUS elektrischer Leiter elektrischer Leiter (z. B. Kupferdraht - vollvolumig bzw. Litze) optischer Mantel (ein- oder mehrschichtig, flexibel, isolierend) optischer Mantel (lichtleitender Teil und Claddingschichten) 21
Untersuchungen zur Lichtdurchlässigkeit einschließlich lich Simulation Lichtübertragung am CONDUS Simulation ergab, dass Lichtausbreitung im CONDUS prinzipiell möglich ist. Claddingschichten im lichtleitenden System ermöglichen bei idealen Leiterverhältnissen eine sehr verlustarme Lichtausbreitung durch Totalreflexion Lichtübertragung am Vormuster aus Siliconelastomer mit FEP- Mantel (Länge ca. 10 m, hohe Flexibilität) 22
Störlichtbogenuntersuchungen spektrale Messungen / Detektion Lichtbogenerzeugung am CONDUS mit 25 V und ca. 7 A, spektrale Messungen des Lichtbogensignals Lichtbogensignal in Luft (grün) und am CONDUS (magenta) Lichtbogenstartimpuls am Wandlerausgang mit Sättigungszustand t = 1,06ms und U max = 5,00V Optisch-elektrischer Wandler mit 4 Photodioden, ringförmig am Leiterende positioniert Forschungsmuster (gemeinsame Entwicklung mit CIS ggmbh) 23
Übertragung optischer Signale am CONDUS Kombinationsleiter aus gelitztem Kupferdraht mit Siliconelastomer- Mantel beaufschlagt mit U e = 5 V Licht der Wellenlänge λ = 850 nm Empfangsamplitude mit Maximum U a = 5 V (auch bei Leitungsknick 90 ) optischer Sender mit 4 VCSEL-Dioden optischer Empfänger mit 4 Photodioden Momentan weitere Werkstofftests zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften und der Temperaturbeständigkeit! 24
Literatur / Quellen Fachhochschule Nordhausen Weiß, C.: Kunststoffe in der Elektrotechnik. Saulgau: EugenG. Leuz Verlag 2005. Mair, H. J.; u. a.: Kunststoffe in der Kabeltechnik. Renningen-Malmshaim: expert-verlag 1999. Kaiser, W.: Kunststoffchemie für Ingenieure. München, Wien: Carl Hanser Verlag 2006. Franck, A.: Kunststoffkompendium. Würzburg: Vogel Verlag 2000. Ehrenstein, G.: Polymer-Werkstoffe. München: Carl Hanser Verlag - 1999. Domininghaus, H.; u. a.: Kunststoffe und ihre Eigenschaften. Berlin, Heidelberg, New York 2005 Oberbach, K.; u. a.: Saechtling Kunststofftaschenbuch. München, Wien: Carl Hanser Verlag 2004. Hellerich, W.; u. a.: Werkstoff-Führer Kunststoffe: München, Wien: Carl Hanser Verlag 2004. Stoeckhert; Woebcken, W.; u. a. : Kunststoff Lexikon; München, Wien: Carl Hanser Verlag 1998. www.plasticseurope.org 25
Vielen Dank! Dipl.-Chem. Christina Kloß Projektgruppe Prof. Dr.-Ing. Matthias Viehmann FH Nordhausen Weinberghof 4 99734 Nordhausen Tel. 03631-420468 E-Mail: kloss@fh-nordhausen.de 26