Bahnbrechende AVT: KlettWelding leitet optimal Wärme und Strom und hilft bei der CO2-Reduktion

Mit dem innovativen Verfahren lassen sich Elektronikbauteile jetzt optimal verbinden – dauerhaft und umweltfreundlich

Ob man lötet, verdrahtet, klebt, schweißt oder schraubt: Elektronikbauteile zu verbinden ist oft aufwändig – und fehleranfällig. So werden beim Löten oder Schweißen die Bauteile durch die Hitze belastet und empfindliche Komponenten können sogar beschädigt werden. Eine neue, starke Alternative ist eine innovative Verbindungsmethode nach dem Motto: „Kletten statt löten.“ Bei diesem sogenannten „KlettWelding“ sorgt eine Art Klettverschluss für die Verbindung. Erfunden und entwickelt hat die Methode das Gernsheimer Unternehmen NanoWired GmbH.

Das weltweit neue Verfahren ermöglicht leistungsfähige, stark belastbare und umweltfreundliche Verbindungen in den Bereichen Sensorik, Halbleiter, Leistungselektronik und weitere. Dazu stehen beim KlettWelding verschiedene Klettvarianten stehen zur Verfügung, die je nach Anwendung zum Einsatz kommen. Die Taktzeit der zu verbinden Teile bestimmt unter anderem die Wahl der Verbindung. Kürzere Zykluszeiten werden durch Erhöhung der Prozesstemperatur und des Pressdruckes erreicht.

Nano-Rasen aus Haaren

Nano­Wired hat zwei grundlegende Verfahren entwickelt NanoWiring und KlettWelding: Beim NanoWiring wird in einem galvanischen Prozess ein metallischer „Rasen“ aus einer Vielzahl von „Haaren“ (bis 25 µm Länge, 1 µm Durchmesser) auf einer beliebigen Oberfläche bei Raumtemperatur aufgebracht. Die Haare können aus Kupfer oder auch aus Gold, Silber, Nickel, Platin oder Indium bestehen.

(©NanoWired)

Beim KlettWelding werden nun zwei mit NanoWiring versehene Oberflächen dauerhaft mechanisch, elektrisch und thermisch bei Raumtemperatur miteinander verbunden. Glatte Oberflächen lassen sich bereits mit kurzen Haarlängen von wenigen Nanometern Länge gut verbinden. Raue Oberflächen benötigen längere Haare. Als dritte Variante wurde das KlettWelding-Tape entwickelt. Es besteht aus einer dünnen, hochisolierenden Polyamidfolie mit beidseitigem NanoWiring. Die Folie kann vorkonfektioniert zwischen die zu verbindenden Substrate oder Bauteile gelegt werden, um größere Unebenheiten auszugleichen. Wichtig: Das Tape kommt direkt zwischen die Substrate/Bauelemente, ohne dass die zu verbindenden Teile beschichtet werden müssen. Durch einfaches Zusammendrücken der beiden Komponenten bei 210 °C lassen sich sogar Kupferschienen, Stanzgitter, Gehäuse oder Rundmaterialien verbinden.

Die besonderen physikalischen Eigenschaften der Klett-Verbindungen:

·         extrem niedriger elektrischer Widerstand (< 1 MicroOhm/mm2)

·         sehr hohe thermische Leitfähigkeit (>300 W/mK)

·         gute mechanische Festigkeit (20 MPa, typisch 12 MPa)

 

      (©NanoWired)

Besonders in Anwendungsbereichen mit speziellen Anforderungen an die Verbindungsperformance bringt die neue AVT herausragende Vorteile:

  • Miniaturisierung, Finepitch und hochpolige Bauteile
  • Hochfrequenztechnik, Antennentechnik
  • Leistungselektronik
  • Optische Elektronik, LED, Laser, Photonik
  • Produkte mit Umweltanforderungen und Co2-Einsparung

Starke Möglichkeiten

Die technischen Eigenschaften von KlettWelding eröffnen viele neue Möglichkeiten; auch bestehende Lösungen lassen sich damit optimieren:

  1. Finepitch-Anschlüsse von Bauteilen, auch ungehäuste Dices (z. B. Pitchmaß >50µm)
  2. Verbindung von Dices, Chip-on-Chip-Kontaktierung
  3. Verbindung von Starr- und Flex-Substraten
  4. Hochpolige Verbindungen, Pitchmaß < 80µm
  5. Ersatz von Kontaktelementen, Steckern
  6. Verbindung von Leistungsbauteilen, MOSFETs, IGBTs usw.
  7. Optimierung von LED-Anschlüssen
  8. Anschluss von Keramikelementen, Kunststoffbauteilen (MID)
  9. Abdichtung von Gehäusen

Die Beispiele ließen sich fortsetzen.

Durch den Einsatz der KlettWelding-Verbindungstechnologie ergeben sich Vereinfachungen in der gesamten Prozesskette. Ein Beispiel: Bei der Substitution von Bondverbindungen entfällt nicht nur das Bonden und Vergießen, auch die Leiterplattenoberflächen benötigen keine Bondgoldoberfläche mehr, sondern lassen sich mit einfacher Kupferpassivierung versehen. Weiteres Beispiel: Bei Flexanschlüssen können komplette Steckverbindungen entfallen.

Neben solchen Vereinfachungen hat der neuartige Klettverschluss noch weitere Vorteile: Da das Kletten bei Raumtemperatur möglich ist, werden die Bauteile geschont. Das ist besonders bei temperaturempfindlichen Komponenten wie optischen Sensoren wichtig.

Umweltfreundliche Technik, spart nachhaltig CO2

Löten oder Schweißen ist nicht mehr nötig: Das spart nicht nur Energie, sondern kann durch die deutlich geringeren elektrisch und thermischen Übergangswiderstände in der Leistungselektronik auch den Wirkungsgrad wesentlich verbessern und reduziert damit das umweltschädliche CO2. Zum Beispiel ergibt die Optimierung des Wirkungsgrades in einer Powerelektronik mit 1 kW Leistung von 90 % auf 95 % im Betrieb von 5 Jahren eine Einsparung von einer Tonne CO2. Das entspricht der Speicherkapazität einer 80-jährigen, 23 Meter hohen Buche. Rechnerisch kann KlettWelding also ganze Wälder ersetzen!

Also, kleine Verbesserung – große Auswirkung! Und die Energiekosten werden so auch reduziert.

Ein Anwendungsfall aus der Leistungselektronik

Anhand eines konkreten Produktbeispiels aus der Leistungselektronik, an einem IGBT-Modul, lassen sich die Vorteile von KlettWeldung-Verbindungen klar erkennen:

1.    Chipkontaktierung: Transistoren, Dioden

Durch den 80 % niedrigeren elektrischen Widerstand (1 µOhm/qmm) und eine hohe thermische Leitfähigkeit (>300 W/mK) der MOSFET- oder IGBT-Transistoren reduzieren sich die Verluste. Es entsteht weniger Wärme an den Übergängen und zusätzlich kann die Wärme schneller abgeleitet werden. Das optimiert den Gesamtwirkungsgrad deutlich, aber ohne Änderungen an der Schaltung.

2.  Anschlusskontaktierung

Neue mechanisch und thermisch optimierte Verbindungen von Kontaktelementen (1 µOhm/qmm) ermöglichen einen verbesserten Anschluss vom Modul zum Kabel. Litzen bis zu einem Querschnitt von einigen Quadratmillimetern lassen sich auch direkt ohne Kabelschuh auf das Substrat mit dem Klett-Tape verbinden.

3. Kontaktierung von zusätzlichen Bauteilen wie Spulen

KlettWelding bietet sich als neue AVT-Lösung für Powerbauteile (1 mOhm, 300 W/mK) an; bei Leistungsbauteilen mit flächigem Anschluss wie Spulen, Induktivitäten u. a. können die Bauteilanschlüsse mit den Nanodrähten beschichtet werden. Auch die Kontaktierung von Akkuzellen ist mit KlettWelding denkbar.

4. Anschlusstechnik an Flexverbinder

KlettWeldung erlaubt es, starre und flexible Substrate zu verbinden. Gerade hochpolige und Finepitch-Verbindungen sind prädestiniert. Die Verknüpfung lässt sich ohne Steckverbinder herstellen: eine gute Option für Verbindungen zwischen Signal- und Leistungselektronik.

5. Housing

Auch Gehäuse lassen sich mit KlettWelding aufbringen. Damit kann die Elektronik sogar gegen Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse geschützt werden. So ergeben sich neue Lösung für die Montage von Elektronikabdeckungen.

6. Gasabdichtung

Für optische Sensoren oder Anwendungen der Medizinelektronik und Biotechnologie bietet sich die Möglichkeit zur Kapselung von Sensoren, Elektronik und Mechanik. Hier gibt es bereits interessante Forschungsprojekte.

Demonstratoren geplant

Die Firma NanoWired ist aktuell damit befasst, kleine Beschichtungsanlagen zu entwickeln, mit denen Unternehmen den KlettWelding-Prozess umsetzen können. Auch als Dienstleistung beschichtet NanoWired Bauteile und Substrate. Das Klett-Tape kann als Verbrauchsmaterial bezogen werden.

Wie bei jeder neuen Technologie sind die unterschiedlichen Anwendungen ausgiebig zu testen und zu validieren. Der FED hat unter der Leitung von Hanno Platz, GED, im „Technologienetzwerk 3D-Elektronik“ dazu ein Projekt in Planung. Ein Konsortium von Industriefirmen und Forschungsinstituten aus Bereichen wie Medizintechnik, Automotive und Maschinenbau will mehrere Demonstratorprojekte aufbauen und testen. Interessenten können sich beim Projektleiter gerne erkundigen.

Einsatzgebiete und Nutzen im Überblick

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GED bietet Ihnen umfassende Unterstützung bei der Technologieevaluierung und beim Design. Wir empfehlen Ihnen ein Evaluierungsprojekt, um die spezifischen Anforderungen versuchsweise umzusetzen und damit Ihnen Muster für Test und Qualifizierung zur Verfügung stehen.

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