EMV-Materialien Mit anwendungsspezifischen Dichtungen zur optimalen Abschirmlösung

Aufgrund der Vielzahl an Kriterien für HF-Dichtungen empfiehlt es sich, deren Auswahl schrittweise in Form einer Checkliste anzugehen. Nur so kommt man zu einer optimalen Gehäuseabschirmlösung

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Aufgrund der Vielzahl an Kriterien für HF-Dichtungen empfiehlt es sich, deren Auswahl schrittweise in Form einer Checkliste anzugehen. Nur so kommt man zu einer optimalen Gehäuseabschirmlösung für elektronische Geräte und Komponenten. Dabei spielt die Werkstoffspezifikation aufgrund der Kriterien Leitfähigkeit und Rückstellvermögen eine besondere Rolle.

Immer wieder fragen Anwender nach HF-Dichtungen, die eine Abschirmung von 100 dB über einen Frequenzbereich von 10 kHz bis 18 GHz (Hochfrequenz, HF) leisten können. Obwohl solche Dichtungen technisch machbar sind, kommen sie selten zum Einsatz.

Viel sinnvoller als die Verwendung eines vermeintlichen „Alleskönners“ ist die sorgfältige Auswahl einer Dichtung, die sich für die konkrete Anwendung bestmöglich eignet. Die folgende Checkliste mit den wichtigsten Anforderungs- und Auswahlkriterien hilft dabei, Kosten einzusparen und die HF-Dichtung mit der optimalen Leistung zu finden. Wenn alle aufgelisteten Punkte beachtet werden, sollten weder in der Fertigung noch im künftigen Produkteinsatz Probleme an der abzudichtenden Verbindungsstelle auftreten.

Betriebsfrequenzen werden immer höher

Weil die Betriebsfrequenzen immer weiter steigen, können übliche HF-Dichtungen nicht mehr die gewünschte Leistung erbringen. Daher werden nun in vielen Fällen HF-Absorber – entweder allein oder in Verbindung mit HF-Dichtungen – eingesetzt. Zu beachten ist dabei, dass nicht nur die Grundfrequenz sondern auch Oberwellen problematisch sein können, sowohl bei Empfangsstörungen als auch bei Nebensignaleffekten.

Bringt man Hochleistungs-HF-Dichtungen auf schwach leitfähigen Oberflächen an, sinkt die Abschirmleistung. Eine Oberflächenveredelung wie Nickel, Zink und Chrom vermindert die Abschirmleistung, die man üblicherweise von höher leitfähigen Dichtungswerkstoffen und Oberflächen kennt.

Die Dämpfung einer abzudichtenden Verbindungsstelle wird meist von den mechanischen Verbindungsmerkmalen beeinflusst. Die Erfahrung zeigt, dass eine Dichtung selbst immer funktionierte und die vorgeschriebene Abschirmleistung erbrachte. Fehlleistungen waren immer auf die Bauart der Anwendung zurückzuführen oder darauf, dass die HF-Dichtung auf schlecht leitenden Oberflächen aufgebracht wurde. Die Konstruktion der Anwendung muss daher zwingend den vorgeschriebenen Dichtungsparametern folgen.

Dichtungswerkstoffe müssen zur Oberfläche passen

Die treibende Kraft bei der galvanischen Korrosion ist das elektrische Spannungsungleichgewicht, das zwischen zwei verschiedenen Metallen in einem Elektrolytbad entsteht. Die Metalle mit den höchsten Spannungen korrodieren nicht, sie werden als Edelmetalle bezeichnet. Metalle mit niedriger Spannung sind dagegen oberflächenaktiv: Berühren sich zwei verschiedene Metalle, korrodiert das unedlere, oberflächenaktivere Metall stärker als das edlere. Die Stärke der elektrochemischen Korrosion verhält sich proportional zur Spannungsdifferenz der Materialien.

Sehr kleine Spannungsabweichungen haben auch nur minimale Auswirkungen auf die Korrosion des jeweiligen Metalls. Größere Abweichungen von 0,5 V und mehr können die Korrosion des oberflächenaktiven Metalls dagegen um einige Zehnerpotenzen steigern. Daher sollten die verwendeten Dichtungswerkstoffe mit der leitfähigen Oberfläche kompatibel sein, auf der sie aufgebracht werden. Bei metallischen HF-Dichtungen wird meist eine Oberflächenveredelung empfohlen, um die galvanische Spannung zu reduzieren.

Bei elektrisch leitfähigen Elastomeren (ECE) verwendet man am besten einen leitfähigen Füllstoff mit größtmöglicher galvanischer Kompatibilität zum Grundwerkstoff. Auch bei anderen Dichtungen muss der leitfähige Werkstoff der HF-Dichtung auf den leitfähigen Werkstoff des Gehäuses abgestimmt sein (Bild 1).

Aus elektrisch leitfähigen Elastomeren bestehen Dichtungen, die sowohl eine HF-Abschirmung als auch eine Umweltabdichtung bieten. Sie gibt es als Elastomer-Verbindungen, mit Füllstoffen und in vielen geometrischen Formen. Ferner kann man auf eine Reihe anderer Kombinationsprodukte zurückgreifen: Nichtleitfähige Elastomere lassen sich mit Metall, Gewebebändern und anderen Dichtungsarten zu einem Produkt „verbinden“.

Oft werden die nichtleitfähigen Elastomere auch außerhalb der leitfähigen HF-Dichtungen angebracht. Die Entscheidung hängt von der Anwendung, dem verfügbaren Platz, der Belastung und den einwirkenden Kräften ab. Falls nur eine Staubabdichtung benötigt wird, kann man Textildichtungen (Fabric-over-Foam, FOF) benutzen.

Kraftaufwand lässt sich mit metallischen Dichtungen präzise definieren

Metallische HF-Dichtungen werden aus einer Vielzahl von Legierungen hergestellt und ermöglichen eine präzise Definition des erforderlichen Kraftaufwands. Wanddicke, Form, Wärmebehandlung und – in geringerem Maße – auch Oberflächenveredelung können den Kraftaufwand zur Komprimierung bei Metalldichtungen beeinflussen. Metallische HF-Dichtungen werden unterschiedlichsten Rückstelleigenschaften angeboten.

Der Kraftaufwand zur Komprimierung einer ECE-HF-Dichtung wird zunächst von der Elastomerverbindung bestimmt, dann vom Prozentsatz der beigemengten Füllstoffe und zu einem hohen Grad auch von der Form der Dichtung. Verschiedene Innovationen bei den Dichtungsformen haben in den vergangenen Jahren den Kraftaufwand zur Komprimierung von ECE-Werkstoffen um mehr als 100% im Vergleich zu festen Dichtungen vermindert. Neue Verfahren wie Form-in-Place (FIP) und Mould-in-Place (MIP) erzeugen ECE-Dichtungen mit unterschiedlichen Rückstelleigenschaften.

Der Kraftaufwand zur Komprimierung von umstrickten Dichtungen wird von folgenden Parametern bestimmt: Drahttyp und -dicke, Anzahl der Stricklagen und Art des nichtleitfähigen Elastomerkerns. Je nach Ausführung und Textilwerkstoff gibt es weitere Eigenschaften:

- Beryllium-Kupfer-Gestricke (Patent 5.294.270) werden auftragsspezifisch wärmebehandelt und kommen ohne nichtleitfähigen Elastomerkern aus, um die Rückstellfähigkeit zu erhalten. Sie benötigen zudem nur einen sehr geringen Kraftaufwand zur Komprimierung.

- Der Kraftaufwand zur Komprimierung bei Fabricover-Foam-Dichtungen wird durch die zentrale Position des Profils, die Profilform und den Werkstoff des Dichtungskerns bestimmt. In der Regel ist bei Textildichtungen nur sehr wenig Kraftaufwand zur Komprimierung nötig.

- Dichtungen aus leitfähigem Schaum (CF) benötigen den niedrigsten Kraftaufwand zur Komprimierung. Sie bestehen aus metallischem, offenzelligem Schaum, der von einer Lage metallischen Polyestergewebes umgeben ist (Bild 2).

Die Montage von HF-Dichtungen kann auf unterschiedliche Weise Geschehen: zum Beispiel mit druckempfindlichen Klebebändern, mit vernieteten, geschweißten oder gelöteten Profilen, mit Fitted-Die.Cut-Profilen, mit Einrastschienen, leitfähigen und nicht leitfähigen Klebern, durch Klammer- oder Schraubbefestigung, durch Clip-on (mit oder ohne Lances), im Form-in-Place oder Mould-in-Place-Verfahren. Die optimale Montagetechnik der Dichtung hängt vom Anwendungsbereich und den mechanischen Besonderheiten der Anwendung ab. Wird eine Dichtung an einer Verbindungsstelle angebracht, die dafür nicht geeignet ist, kann es zu einem Leistungsabfall, einem Versagen der Dichtung oder sogar der Anwendung kommen.

Rückstellfähigkeit als Maß für Lebensdauer

Bei der Dichtungslebensdauer sind folgende Fragen zu beantworten:

- Ist die Dichtung Bestandteil einer Verbindung, die häufig geöffnet wird – zum Beispiel in einer Schranktür?

- Wird diese nur manchmal, etwa für Wartungszwecke, geöffnet oder bleibt sie dauerhaft verschlossen?

Bei Scher- und Gleitanwendungen werden üblicherweise metallische Werkstoffe verwendet. Doch auch Textildichtungen zeigten bei Scheranwendungen gute Ergebnisse. Hinsichtlich der Komprimierung leisten fast alle Textildichtungen gute Arbeit. Bei den Rückstelleigenschaften gibt es jedoch Unterschiede: Metallische Dichtungen verfügen über keine oder nur sehr geringe Rückstellfähigkeit. ECE-, Textil- und andere Elastomer-Gummi-Dichtungen haben bei Anwendung innerhalb der empfohlenen Toleranzen eine sehr gute Rückstellfähigkeit, ebenso Beryllium-Kupfer-Gestricke und HF-Dichtungen aus Beryllium-Kupfer.

Bei anderen umstrickten Dichtungen kann auch eine gewisse Rückstellfähigkeit vorhanden sein. Das hängt davon ab, welcher Draht und welcher Elastomerkern verwendet wird. Drahtwerkstoffe wie rostfreier Stahl und Phosphor-Bronze verfügen anfangs noch über eine gewisse Rückstellfähigkeit, nach weiteren Versuchen baut diese aber ab. Leitfähiger Schaum hat die beste Rückstellfähigkeit von allen Dichtungen und wird für dauerhafte Verbindungen empfohlen – oder solche, die nur selten geöffnet werden.

ROHS-Richtlinien müssen berücksichtigt werden

Die EU-Richtlinien zu umweltgefährdenden Stoffen in Elektro- und Elektronikgeräten (ROHS) sowie zum Sammeln und Recyceln der Geräte (WEEE) haben einen großen Einfluss auf die Fertigung. ROHS-Anforderungen sind während des Herstellungsprozesses zu berücksichtigen, die Anforderungen an WEEE kommen bei der Entsorgung zum Tragen.

Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass Beryllium-Kupfer-Dichtungen diesen Anforderungen nicht entsprechen und ein Recyclingproblem darstellen. Beryllium-Kupfer-Legierungen unterliegen keinen speziellen Altlasten-Auflagen oder Beschränkungen in den endgültigen EU-Richtlinien zur Altlastenentsorgung (End-of-Life-Vehicles, ELV 2000/53/EC und 2002/525/EC), nicht den Beschränkungen im Gebrauch von umweltgefährdenden Stoffen in Elektro- oder Elektronikgeräten (ROHS 2002/95/EC) und auch nicht den Sammel- und Recyclingvorgaben (WEEE 2002/96/EC). Große europäische Branchenverbände wie VDA (Automobilindustrie) und C4E (Elektrik, Telekommunikation und Computer) haben in ihren veröffentlichten Werkstoffvorgaben den weiteren Gebrauch von Beryllium-Kupfer empfohlen.

Die beschriebenen Kriterien zur Auswahl einer HF-Dichtung können aufgrund der vielfältigen Anwendungsbedingungen nicht vollständig sein. So gibt es noch eine Reihe von Kriterien, auf die man bei der Gehäusekonstruktion für elektronischer Geräte oder Komponenten achten muss. Dazu gehört unter anderem die Einhaltung weiterer Normen, das Betriebsumfeld, die Kosten, Lagerumgebung sowie anderweitige Abschirmungen, die Erdung und Produktsicherheit. MM

Wolfgang Traa ist Key-Account-Manager für EMV-Abschirmmaterialien bei der Laird Technologies GmbH in 83026 Rosenheim, Tel. (0 80 31) 24 60-0, Fax (0 80 31) 24 60 50, wtraa@lairdtech.com

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