Kunststoffe in der Elektronik, Elektrotechnik und Optik · 2 Fachhochschule Nordhausen Gliederung Allgemeine Einführung Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, Elektrotechnik

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Fachhochschule Nordhausen

Kunststoffe in der Elektronik, Kunststoffe in der Elektronik, Elektrotechnik und OptikElektrotechnik und Optik

Allgemeine Einführung und Vorstellung einesProjektbeispiels der FH Nordhausen:

- Optisch-elektrischer Kombinationsleiter

Vortrag zum 57. Treffen des Sächsischen Arbeitskreises Elektroniktechnologie

an der Fachhochschule Nordhausen

Diplom-Chemikerin Christina Kloß

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GliederungGliederung

� Allgemeine Einführung

� Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elekt ronik,Elektrotechnik und Optik

� In Elektronik und Elektrotechnik eingesetzte Kunsts toffe

� Einfluss von Additiven und Füllstoffen

� Vorstellung optisch-elektrischer Kombinationsleiter - CONDUS

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EinfEinf üührunghrung� weltweite jährliche Produktion von Kunststoffen:

z. Z. ca. 200 bis 250 Mio. t,� in Deutschland zwischen 2007 und 2009 Produktion v on

17 und 20 Mio. t,� ca. 7,4 % der produzierten Kunststoffe – Anwendung i n Elektronik

und Elektrotechnik

Quelle: www.plasticseurope.org/documents/document/ 20100803132409-grafiken_zur_wpk_2010.pdf

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Was sind Kunststoffe?Was sind Kunststoffe?

� Kunststoffe sind Werkstoffe, die künstlich oderdurch Abwandlung von Naturprodukten entstehen und aus organischen Makro-molekülen aufgebaut sind.

Makromoleküle = Riesenmoleküle, bei

denen viele kleine Moleküle (Monomere

> 1.000 Stück) zu einem großen Polymer

verknüpft sind – mittlere Molmassen von

104 bis 10 6 g/molPC-Granulat

Stäbchenmodell von PPaus Wikipdia.org/wiki/Kunstsoffe

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� Kunststoffe werden nach dem molekularen Aufbau, dem Verhalten beim Erwärmen/Schmelzen und den mechanischen Eigenschaft en in folgende Gruppen eingeteilt:

Einteilung der KunststoffeEinteilung der Kunststoffe

Thermoplaste (amorph Plastomere) =verknäuelte Faden-moleküle, 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 Zug-festigkeit, Beständigkeit, thermoplastisch formbar

z. B. PP, PTFE, PE

z. B. PMMA, PC

z. B. MF,Silicon, PUR

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Vorteile von KunststoffenVorteile von Kunststoffen� Siegeszug der Kunststoffe - wegen ihrer Modifizierba rkeit

(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/cm³Eisenwerkstoffe: 7,8 g/cm³

� Isolator (elektrisch, Wärme, Schall)� Beständigkeit gegen Korrosion � preisgünstig, relativ energie-

günstig und vollautomatisiertverarbeitbar (leicht formbar, färbbar, metallisierbar)

� recyclebar

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Nachteile von KunststoffenNachteile von Kunststoffen� im Vergleich zu anderen Werkstoffen geringere mecha nische,

thermische und Formfestigkeit� werden von Licht, Wärme und Sauerstoff beeinflusst (Alterung)� meist brennbar� schwierig auszubessern, Reparatur lohnt sich nur se lten � Abfallproblematik (große Menge von Kunststoffabfäll en und deren

unterschiedliche Zusammensetzung, zudem besitzen vi ele Kunststoffe eine große Umweltbeständigkeit)

vorher

Ausfall bei 150°C 6hBrennbarkeit von

PE und PS

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Wesentliche AnforderungenWesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, an Kunststoffe in Elektronik,

Elektrotechnik und Optik Elektrotechnik und Optik -- 11

Mechanische Eigenschaften� Flexibilität,

� Steifigkeit,

� gute Schlag- und Kratzfestigkeit,

� hohe Reißdehnung,

� Dimensionsstabilität …

Elektrische Eigenschaften� gutes bis ausgezeichnetes Isolationsverhalten

(Durchgangs- und Oberflächenwiderstand),

� elektrisches Festigkeitsverhalten (Kriechstrom-und Durchschlagsfestigkeit),

� dielektrisches Verhalten,

� elektrischer Leiter …

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Verarbeitungseigenschaften� niedrige Temperaturen, wenig

Energie

� geringe Kosten

� Spritzguss / Extrusion

Optische Eigenschaften

� Transmission, Transparenz, Trübung,

� Brechzahl, Abbe-Zahl

� Reflexionsgrad …0

10

20

30

40

50

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80

90

100

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Welllenlänge in nm

Tra

nsm

issi

on in

%

Transmissionskurve transparentes TPU

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Beständigkeit� gegen UV-Strahlung� chemische

Beständigkeit …

Thermische Eigenschaften� Gebrauchstemperaturen, Wärmeform-

beständigkeit

� thermische Ausdehnung,

� Wärmeleitfähigkeit

� Brennbarkeit und Brandverhalten …

Andere Eigenschaften� Dichte� Wiederverwert-

barkeit …

Dauergebrauchtemperaturen über 150°CPVDF, PEEK, PSU, PPS, PEI …

Ersatz für Metalle oder Keramik �� Kostenersparnis

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• teilkristallin, thermoplastisch, unterschiedliche Dichte (HDPE, LDPE),

• weich bis steif, hohe Zähigkeit und Reißdehnung,• sehr gute elektrische Eigenschaften, gute Beständig keit• Isolierung von Fernmelde- und Hochspannungskabel,

Isolationsrohre, Verteilerdosen, Kabelbinder, Haube n für E-Motoren

PE

• amorph, flexibel durch Weichmacher, Eigenschaftseinstellung entsprechend Anforderungen,

• gute Abriebfestigkeit, gute elektrische Eigenschaften

• Kabelisolierungen und -ummantelungen, Stecker, Schrumpfschläuche, Isolierbänder

PVC

Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- StandardStandard ––Thermoplasten 1Thermoplasten 1

Isolierbänder der Firma Coroplast

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• amorph, ca. 24 % AN, steif, höher schlagzäh als PS, hohe Oberflächenhärte, sehr gute elektrische Eigenschaften

• Gehäuseteile, Bedienknöpfe, Abdeckungen, Streuscheiben

SAN

• teilkristallin, thermoplastisch, relativ fest und steif, extrem gute Chemikalien-beständigkeit, kaum Spannungsrissbildung,elektrische Eigenschaften wie PE

• Trafo- und Batteriegehäuse, Folien, Draht- und Kabelummantelungen, Steck-dosen und Schalter, Antennenzubehör

PP

Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- StandardStandard --Thermoplasten 2Thermoplasten 2

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Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Technische Technische KonstruktionskunststoffeKonstruktionskunststoffe 11

• amorph, thermoplastisch, sehr steif, fest, spröde, harte Oberfläche, glasklare Transparenz, witterungsbeständig, spannungsrissempfindlich

• Gehäuse, Lichtwellenleiter, Substrat für optische Speicher, Flachbildschirme, Photovoltaik-Elemente

PMMA

• 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

PC

Lichtwellenleiterstränge aus PMMA

Gehäuse aus PC

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• teilkristallin, sehr gute Zähigkeit, große Oberfläc henhärte, gute Abriebfestigkeit, gute Wärmeformbeständigkeit,relative hohe Wasseraufnahme, elektrische Eigenscha ften wie PE

• Spulenkörper, Steckverbinder, Taster, Gehäuse für Leitungsschutz- und Fehlerschutzschalter, abriebfest e Kabelüberzüge etc.

PA 6 / PA 66

Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Technische Technische Konstruktionskunststoffe 2Konstruktionskunststoffe 2

Weitere Werkstoffe z. B. ABS, POM, PPO, PBT, PET, TEP …

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Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Hochleistungskunststoffe 1Hochleistungskunststoffe 1

• teilkristallin, sehr reaktionsträge �� hohe Beständigkeit, nicht entflammbar, relativ weich,bestes Gleit- und Antihaftverhalten

• sehr hohe Wärmestandfestigkeit (kurzzeitig bis300 °C), hervorragende elektrische und dielektrische Eigenschaften

• Isolier- und Mantelwerkstoff, Wafer Carrier, Transistorsockel, Isolatoren in der Starkstrom-und HF-Technik, Schrumpfschläuche für elektrische Bauteile

Fluor-polymere wiePTFE, FEP,

PVDF

• amorphe Thermoplast, sehr hohe Form-beständigkeit in der Wärme, Dauereinsatzbis 190 °C

• steif, hart und zäh,• glasklar, gelbstichig bis bernsteinfarben• hohe Hydrolyse- und Chemikalien-

beständigkeit, günstiges Brandverhalten• Teile für Leitungsschutzschalter, Schalter,

Stecker, Schaltungsträger, Spulenkörper, Ummantelungen von Sicherungen, Chip Carrier

PSU

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Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Hochleistungskunststoffe 1Hochleistungskunststoffe 1

• Elastomere bzw. duroplastische Polymere mit Grundgerü staus 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 Lichtbogenfestigkei t• Eigenschaften sind über weiten Temperaturbereich na hezu

konstant• Anwendung zum Vergießen von LEDs, optische Lichtwe llen-

leiter zur Integration auf Leiterplatten, Kabelgarni turen in der Hochspannungstechnik, Kabelisolation und -mäntel …

Silicon

Weitere Werkstoffe z. B. PEEK, LCP, PEI, OLED …

n

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Einfluss von Additiven und FEinfluss von Additiven und F üüllstoffen 1llstoffen 1

� 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 Zähigkei t,

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

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0

2

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0,8 1,8 2,8 3,8 4,8 5,8 6,8 7,8

Füllstoffgehalt

mec

hani

sche

Eig

ensc

hafte

n

BruchdehnungE-Modul

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� Verarbeitungshilfsmittel�� für schnellere und kostengünstigere Verarbeitung

�� Fließhilfsmittel - gezielte Beeinflussung der Verarbeitungsviskosität (Viskositätserhöhung –MgO, synthetische Kieselsäure; Viskositäts-erniedrigung – epoxilierte Fettsäuren)

�� Keimbildner - Erhöhung Kristallisationsgeschwindigkeit und –grad in teilkristallinen Thermoplasten (Verkürzung der Spritz-gusszeiten, niedrige Nachkristallisation; feinkörni ge Stoffe = Talkum, Kaolin synthetische Kieselsäure)

�� Schmiermittel - Erhöhung der inneren Gleitfähigkeit bei der Formgebung (Fließverbesserung, Absenkung Haftung zw ischen Kunststoff und Metallform; Kohlenwasserstoffe, Carbonsäureester, Alkohole, Ketone aber auch Metall salze etc.)

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Einfluss von Additiven und FEinfluss von Additiven und F üüllstoffen 4llstoffen 4� Stabilisierung

Verzögerung bzw. Verhinderung der Alterung �� UV-Lichtschutzmittel – durch UV-Licht Farbveränderungen oder

Abfall der mechanischen Eigenschaften möglich; eing esetzt 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 Radik alen, Umwandlung von Peroxiden)

� FlammenschutzmittelBrandverhinderung bzw. Verzögerung der Brandausbrei tung�� halogenhaltige Flammenschutzmittel – Bildung von

Halogenradikalen, die in Radikalkettenmechanismus d es Brandes eingreifen

�� phosphorhaltige Flammenschutzmittel – begünstigen Verkohlungen an brennenden Substratflächen (Schutzschicht)

�� anorganische Flammenschutzmittel – Wärmeentzug, Oxidschutzschicht (Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid)

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Der optischDer optisch --elektrische Kombinationsleiterelektrische KombinationsleiterDE 103 42 370DE 103 42 370

elektrischer Leiter(z. B. Kupferdraht -vollvolumig bzw. Litze)

optischer Mantel (ein- oder mehrschichtig, flexibel, isolierend)

Defekt –Störlicht-bogen

optisch-elektrischer Wandler mit Auswerteeinheit

Querschnitt des CONDUS

optischer Mantel(lichtleitender Teil und Claddingschichten)

elektrischer Leiter

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Untersuchungen zur LichtdurchlUntersuchungen zur Lichtdurchl äässigkeit ssigkeit einschlieeinschlie ßßlich Simulationlich Simulation

Lichtüber-tragung am CONDUS

Lichtübertragung am Vormuster aus Siliconelastomer mit FEP-Mantel (Länge ca. 10 m, hohe Flexibilität)

Simulation ergab, dass Lichtausbreitung im CONDUS prinzipiell möglich ist.

Claddingschichten im lichtleitenden System ermöglichen bei idealen Leiterverhältnissen eine sehr verlustarmeLichtausbreitung durch Totalreflexion

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StStöörlichtbogenuntersuchungen rlichtbogenuntersuchungen –– spektrale spektrale Messungen / Messungen / DetektionDetektion

Lichtbogen-erzeugung amCONDUSCONDUS mit 25 V und ca. 7 A, spektrale Messungen des Lichtbogensignals

Lichtbogenstartimpuls am Wandlerausgang mit Sättigungszustandt = 1,06ms und Umax= 5,00V

Optisch-elektrischer Wandler mit 4 Photodioden, ringförmig am Leiterendepositioniert

Forschungsmuster (gemeinsame Entwicklung mit CIS gGmbH)

Lichtbogensignal in Luft (grün) und am CONDUS (magenta)

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ÜÜbertragung optischer Signale am CONDUSbertragung optischer Signale am CONDUS

Kombinationsleiter aus gelitztemKupferdraht mit Siliconelastomer-Mantel

beaufschlagt mit Ue = 5 V Licht der Wellenlänge λ = 850 nm

Empfangsamplitude mit MaximumUa = 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!

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Literatur / QuellenLiteratur / Quellen

• 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 HanserVerlag – 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

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Vielen Dank!

Dipl.-Chem. Christina KloßProjektgruppe Prof. Dr.-Ing. Matthias ViehmannFH NordhausenWeinberghof 499734 NordhausenTel. 03631-420468E-Mail: [email protected]

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