Kombinationgabe Kupferdruck auf Aluminium bringt nachhaltigere Elektronik

Eine neuartige Kombination aus Aluminium und Kupferdruck eröffnet neue Perspektiven, die etwa für nachhaltige Anwendungen in der Elektromobilität und den erneuerbaren Energien sorgen, sagt Automoteam.

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Auf der Suche nach Möglichkeiten für eine nachhaltige Elektromobilität spielen neuartige Materialien eine entscheidende Rolle, heißt es. Die Unternehmen Automoteam GmbH (Deutschland) und Printcb (Israel) präsentieren mit Blick darauf das neue Multimaterialsystem, das mit speziellen mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften aufwartet.

Die Kombination von nicht alltäglich funktionalisierten Aluminiumoberflächen mit besonderem Kupferdruck sehen die beiden Unternehmen auch als Optimierungschance für gedruckte Elektronik, Leistungselektronik, Heizung und Kühlung und LED-Lichtsysteme.

Fortschrittliche Kupferlegierungen helfen

Kupfer, sagt Automoteam ist seit einem halben Jahrhundert das am häufigsten verwendete leitfähige Material in der Elektronik. Man kennt es also, doch das Drucken von Kupfer ist trotz offensichtlicher Fortschritte noch eine große technische Herausforderung. Der Prjektpartner Printcb geht diese Kupferherausforderung nun aber mit einem völlig neuen Ansatz an, wird betont: Durch spezielles Chemie- und Materialwissenschafts-Know-how konnte das Unternehmen etwa Coppair entwickeln, eine Plattform, die konventionelle Druckprozesse nutzt, um leitfähiges Kupfer bei niedrigen Trocknungstemperaturen und Umgebungsbedingungen zu drucken und Oxidationsgefahren zu vermeiden. Diese Möglichkeit, Kupfer bei Temperaturen bis maximal 110 °C mit traditionellen Prozessen zu drucken und in heißer Luft zu trocknen, schaffe weitere Möglichkeiten für Kombinationen von gedruckter Elektronik in Kunststoffen sowie anderen, weniger empfindlichen, Materialien.

Hilfreiche Widersprüche in neuen Aluminiumoberflächen

Metaker-Surface beispielsweise ist ein Verfahren für die elektroplasmachemische Modifikation von Leichtmetall-Oberflächen im Tauchverfahren. Der Prozess wandelt die Randschichten eines Werkstücks unter Einwirkung von Elektrolytplasma und unter Einfluss von Millionen Mikrolichtbögen dabei zu einem neuen Mikro-Verbundwerkstoff um, erklären die Beteiligten.

Die Aluminiumkomponenten mit sogenannten Metaker-Randschichten sind mikrostrukturiert, mikroporös, chemisch aktiviert, gradiert und ungewöhnlich multifunktional, heißt es weiter. Für die Elektromobilität und für erneuerbare Energien wären unter anderem folgende neue Oberflächeneigenschaften von modifizierten Aluminium interessant:

• hohe Verschleißfestigkeit;

• sehr gute Korrosionsbeständigkeit;

• sehr gute elektrische Isolierung;

• sehr gute Wärmeleitfähigkeit, Wärmestrahlung, Lichtreflexion oder Lichtabsorption;

• Mikrostrukturierung mit sehr hoher spezifischer Oberflächengröße;

• Die Mikroporosität unterstützt die chemische Aktivierung und macht das Material mit anderen Werkstoffe gut kombinierbar;

• punktet auch mit dekorativen Eigenschaften.

Jegliche Aluminiumkomponenten wie massive Bauteile, Bleche, Folien, Schichten, Gewebe, Draht, Drahtwicklungen, offenporige Schäume und sogar wasserbeständige Werkstoffhybride könnten im Metaker-Verfahren modifiziert werden. Ihre Geometrie dürfe dabei beliebig komplex sein.

Hunderte von Eigenschaftsprofilen sind möglich

Die neuen Werkstoffeigenschaften von Aluminium-Randschichten erlauben die Substitution von teuren Aluminiumlegierungen, Stahl, Titan, Messing, Bronze, PEEK oder Keramik, lässt Printcb wissen. Zugleich könnten die Funktionalität und die Einsatztauglichkeit verschiedenster Produkte verbessert werden. Außerdem werden die Produktionsprozesse durch eine solche Substitution unabhängig von konventionellen, umweltbelastenden Oberflächenbehandlungen, wie Phosphatieren, Anodisieren, Chromatieren, Chromieren, Brünieren, kathodisches Tauchlackieren, Pulverlackieren, Chemisch-Nickel, CVD, PVD, und vielen anderen, betont man.

Die Metaker-Prozesssteuerung kann dabei für Hunderte von unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen sorgen. Manche davon befinden sich seit 2010 in der Serienproduktion, die meisten sind dem breiten Publikum jedoch entweder unbekannt oder gar unerforscht. Als besonders interessant wird nun die Kombination von Metaker-Oberflächen mit dem neuartigen Kupferdruck eingeschätzt.

Kupferdruck trifft auf Aluminium – Löten kein Problem

Die multifunktionalen Metaker-Oberflächen können dazu in verschiedenen Verfahren mit Kupfertinten bedruckt werden. Die folgenden Bilder zeigen verschiedene Metaker-Oberflächen, die mit der Kupfertinte von Printcb bedruckt wurden. Diese Oberflächen werden im Siebdruckverfahren behandelt und anschließend bei 140 °C getrocknet, wodurch eine starke Haftung und eine gute elektrische Leitfähigkeit (circa 0,07 Ohm pro Quadratmillimeter) erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit des Kupfer-Metaker-Verbundes wurde ebenfalls bewertet. Sie lag im Bereich von 30 bis 40 W/m*K. Das Löten an Kupfertinte wurde auch mit Sn-Bi-Lotpaste erfolgreich durchgeführt. Die Metaker-Oberflächen und die Kupfertinten können außerdem an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden, sagen die Projektpartner.

Die obere Probe zeigt eine 100 Millimeter lange und 1 Millimeter breite Elektrode, die auf einem braunen, dekorativen Metaker-Substrat im Siebdruck Verfahren gedruckt wurde. Der Gesamtwiderstand der Elektrode beträgt 7 Ohm.

Das Muster rechts zeigt eine Anordnung von Kupferbahnen, gedruckt auf einem weißen, dekorativen Metaker-Substrat inklusive Löten von Drähten und LED.

Das linke Beispiel unten zeigt eine 50 Millimeter × 50 Millimeter große Kupferoberfläche, die auf einem weißen, dekorativen Metaker-Substrat gedruckt wurde. Dieses Beispiel zeigt ein potenzielles Thermal Interface Material (TIM) für die Anwendung in der Leistungselektronik. Eine solche Oberfläche kann gelötet werden, um Leistungsgeräte zu befestigen. Auf dieser Oberfläche durchgeführte thermische Messungen ergaben eine Wärmeleitfähigkeit von 30 bis 40 W/m*k.

Die Kombination aus Kupfer und funktionalisiertem Aluminium eröffnet also neue Möglichkeiten, wobei das Beste dieser beiden Metalle genutzt wird, heißt es. Aluminium ist ein leichtes, relativ günstiges Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit und das Metall der Wahl für die Automobilindustrie. Das Bonding auf Aluminium ist jedoch aufgrund seines fast unvermeidbaren Oxids eine Herausforderung. Die Funktionalisierung von Aluminium kann aber helfen, diese Herausforderung zu meistern.

Spezifische Hybridlösungen für E-Mobilität und nachhaltige Energiequellen

Das Drucken von leitfähigem Kupfer verbilligt nicht zuletzt die Herstellung von Schaltungen, Elektroden, Pads und leitfähigen Oberflächen für eine Vielzahl von Anwendungen, wirft Automoteam ein. Die Möglichkeit, leistungselektronische Geräte, LEDs, Wechselrichter und andere elektronische Bausteine auf eine auf Aluminium gedruckte Kupferoberfläche zu löten, gewährleistet die nötige Wärmeableitung und erweitert die bestehenden Limits in Sachen Design von Leistungselektronik der nächsten Generation, für Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energien, ist man sicher.

Intelligente Hybridlösungen mit Metaker-Oberflächen und Kupfer werden in kooperativer Zusammenarbeit zwischen spezialisierten Partnern aus Wissenschaft, Industrie und Services entwickelt und realisiert, betont Automoteam. Sie würden anwendungsspezifisch konzipiert und über Funktionsprototypen in mehreren Iterationen bis zur Serie entwickelt.

Bevor es zu einer Projektidee kommen kann, benötigen interdisziplinäre Entwicklerteams aber ein ganzheitliches Technologieverständnis. Das neue Wissen wird Interessierten deshalb in kundenspezifischen Workshops vermittelt. Die ersten Informationen erhalten Sie unter www.metahybrid.com

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