Bildergalerie
Bild 1: Beispiel eines möglichen Kabelverbinders: Die Crimpung als Zugentlastung sollte, je nach geforderter Haltekraft, aus einem anderen Metall sein.
Bild 2: Die einzelnen Schritte vom Band zum Batterieanschluss.
Bild 3: Nutzenstreifen der Kühlsubstrate mit Fenster für die Bond-Pads.
Bild 4: Auswahlkriterien der Aluminiumlegierungen.
Bild 5: Vergleich von gebogener Cu- und Al-Legierung mit Kupferbeschichtung.
Bild 6: Zusammenhang von Härte/Zugfestigkeit und Verschleißverhalten.
Bild 6: Zusammenhang von Härte/Zugfestigkeit und Verschleißverhalten, ohne Al-Bezeichnungen.
Bild 7: Vergleich von Kontakt- und Durchgangswiderstand.
Bild 8: Diffusionsverhalten.
Bild 9: Die REM-Aufnahme der Diffusionsschicht zeigt ein mit Kupfer beschichtetes Aluminiumblech im Längsschliff.

Die Stellschrauben, um künftig den Werkstoff Stahl durch Aluminium zu ersetzen, sind beispielsweise Energieeffizienz, schonender Umgang mit Ressourcen oder die rationelle Fertigung. Nun macht sich auch die Elektrotechnik und Elektronik als wichtiger Automobilzulieferer auf, Aluminium zu verwenden. Doch sind die Vorteile tatsächlich gegeben? Hinsichtlich der Verfügbarkeit und dem Gewicht ist dies schnell mit „Ja“ beantwortet, findet doch Aluminium als Konstruktionswerkstoff für elektronische und mechatronische Baugruppen bereits seit langem Verwendung, etwa als Gehäusekomponente oder zur Entwärmung als Kühlkörper. Für die Verwendung als Stanzgitter in der Elektronik sind jedoch weitere Eigenschaften wichtig, beispielsweise Galvanisierbarkeit, Umformbarkeit oder elektrische und mechanische Kennwerte. Bei Inovan wurde in einer Studie die grundsätzliche Eignung von Aluminium als Stanzgitterwerkstoff im Vergleich zum „Platzhirsch“ Kupferlegierung untersucht.

Vergleich von Kupfer und Aluminium

Tabelle 1: Vergleich von Kupfer und Aluminium.

Tabelle 1: Vergleich von Kupfer und Aluminium.

Aluminium genießt einige Vorteile: Bei Dichte und Kosten pro Volumen ist Aluminium unschlagbar. Die elektrische Leitfähigkeit liegt in einem Bereich, der sich bei Bedarf durch eine Bauteilquerschnittserhöhung ausgleichen lässt. Bereits heute werden bei einer Mittelklasse-Limousine circa 30 kg Kupfer verbaut, 70 Prozent hiervon entfallen alleine auf den Kabelstrang [1]. Elektroautos beziehungsweise Hybrid-Fahrzeuge übersteigen diesen Wert bei weitem, da die Menge und Querschnitte notwendiger Verkabelungen, Steuergeräte etc. höher ist.

Große Vorteile von Kupferwerkstoffen sind einfache Kontaktierbarkeit und hohe mechanische Festigkeit. Für das Anschlagen von Leitungen ist beispielsweise Crimpen blanker Kupferleitungen an Kabelschuhe oft das Verfahren der Wahl. Löten, Leitkleben oder Klemmen sind Stand der Technik. Aluminium ist hier wegen seiner stets oxidierten Oberfläche problematisch. Bei Klemmverbindungen können beispielsweise durch hohe Übergangswiderstände Leistungsverlust oder Erwärmung bis zur Brandgefahr drohen. Als Fügepartner eines Schweißprozesses kommt nur ein Alu-Teil in Frage, das dann selektiv galvanisiert sein könnte. Die Crimpung als Zugentlastung müsste, je nach geforderter Haltekraft, aus einem anderen Metall sein (Bild 1). Aluminium stellt also besondere Anforderungen an die Fügeverfahren. In der Abhandlung „Kontaktierung von Aluminium-Litzenleitern mittels Crimptechnologie“ von Dr. Schmidt (Dodocu, 2011) ist zum Beispiel die Kontaktierung eines Al-Leiters durch einen Kupfer-Crimp beschrieben [2].

Anwendungsbeispiele für Aluminium

Die steigende Integration von Funktionen in Baugruppen führt dazu, dass weniger Komponenten mehr Funktionen übernehmen müssen. Stanzgitter übernehmen mittlerweile neben Stromleitung auch mechanische und thermische Funktionen. Dazu kommen neue Anforderungen, etwa durch die Elektrifizierung des Automobils oder aus der Solartechnik, die Aluminium als Stanzgitterwerkstoff interessant oder gar notwendig machen (zum Beispiel für Zellverbinder bei Li-Ionen Batterien). Eine neuere Entwicklung für Autobatterien ist ein Batterieanschluss, der aus einem Verbundwerkstoff besteht. Aluminium wird dazu durch Walzplattieren mit Kupfer verbunden und erlaubt so die Kontaktierung eines Alu-Kabels durch Ultraschallschweißen [3], wobei die mechanischen Funktionen „Schrauben/Crimpen“ vom Kupfer übernommen werden. Die partielle Verzinnung des Aluminiums verhindert dabei Korrosion. Bild 2 zeigt die Schritte vom Band zum Batterieanschluss.

Bei einem Beispiel aus der „Concentrated Photo Voltaic“ (CPV) übernimmt ein Substrat aus Aluminium die Kühlfunktion und bildet die elektrische Massefläche. Diese wird im Solarmodul durch Drahtbonden verbunden. Die Solarzelle selbst ist durch Chip-Bonden (Die-Attach) auf ein in das Kühlsubstrat geschweißtes Bond-Pad appliziert. Das Bond-Pad ist walzplattiert und hat eine galvanisch veredelte Kupferseite für den Chip und eine Al-Seite für die Schweißverbindung. Bild 3 zeigt einen Nutzenstreifen der Kühlsubstrate mit Fenster für die Bond-Pads.

W. Schmitt (Tyco, 2011) berichtet von grundsätzlichen Versuchen zur Galvanisierbarkeit einer Aluminiumlegierung, wobei besonderes Augenmerk auf Diffusion, Haftung und Korrosion gelegt wurde [4]. In der vorliegenden Untersuchung lag der Schwerpunkt auf der Wahl der Legierung, Galvanisierbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Umformbarkeit. Beschichtung und Korrosion sind eng miteinander verknüpft. Eine galvanische Beschichtung, selbst mit elektrotechnischen Oberflächen wie etwa Nickel oder Zinn, kann die chemische Beständigkeit positiv beeinflussen. Insofern stand die Galvanisierbarkeit im Sinne einer haftfesten, porendichten Barrierebeschichtung im Vordergrund. Weiter war der Umformbarkeit von Aluminium besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Hier sind, neben der spanenden Bearbeitung, Vorgänge wie Fließpressen usw. bekannt, Stanzgitter der Elektronik stellen jedoch besondere Anforderungen (kleine Strukturen, kleine Radien) an Herstellprozess und Anwendung. Um die Eignung von Aluminium als Surrogat für Kupferwerkstoffe zu untersuchen, wurde bei der hier vorgestellten Studie eine an die Praxisforderungen angelehnte Gegenüberstellung von typischen Kupfer- mit Aluminiumlegierungen gewählt.

Experimentelle Untersuchungen

Um Galvanisierbarkeit respektive Haftung zu untersuchen, wurden die Proben unternickelt beziehungsweise unterkupfert und mit Haftungsprüfungen aus den Bereichen Kunststoff- und Metallgalvanisierung getestet. Die Kupferlegierungen als Stand der Technik wurden nicht getestet. In puncto Umformbarkeit wurden nur die Al-Legierungen getestet, indem die Prüflinge in einer Prüfvorrichtung mit verschiedenen Radien gebogen wurden. Beurteilt wurde die Rissbildung. Um den Verschleiß zu prüfen, kam ein Prüfstand mit Linearantrieb zum Einsatz, bei dem eine Kontaktniete unter einstellbarer Kraft über die Testoberfläche geführt wird. Als Maß für den Verschleiß wird nach festgelegter Zyklenzahl der Durchgangswiderstand gemessen. Der Übergangswiderstand wird hierbei vernachlässigt.

Die elektrische Leitfähigkeit kann in Tabellen nachgeschlagen werden, dies gibt aber nicht immer eine befriedigende Antwort für die Praxis. Daher wurden für diese Prüfung Proben im Sinne eines elektrischen Kontaktes erstellt – beispielsweise Stecker – und der Übergangswiderstand gemessen. Der Diffusion wurde große Aufmerksamkeit gewidmet, da die Befürchtung der Diffusion von Aluminium an die Oberfläche bestand. Schliffbilder und REM-Untersuchungen mit EDX-Linescans sollten hier Aufschluss geben. Darüber hinaus wurde die Korrosionsbildung untersucht, also ob die galvanische Beschichtung porenfrei ist oder ob eine künstliche Alterung Aluminium an die Oberfläche treten lässt. Insofern wurde ein einfacher Salzsprühtest mit Vorschädigung gewählt. Insgesamt wurden mehr als 40 verschiedene Aluminiumlegierungen bewertet und auf ihre Eignung als Kupferersatz untersucht. Die Bewertungskriterien sind in Bild 5 dargestellt.

Die technischen Eigenschaften der zu untersuchenden Aluminiumlegierungen sollten den gängigen Kupferlegierungen ähnlich sein, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Unter Berücksichtigung dieser Auswahlkriterien war dennoch eine Vielzahl von Legierungen geeignet. Das letzte Kriterium, die Verfügbarkeit von dünnwandigen Geometrien für die Bandgalvanik, war schwieriger zu realisieren, da Aluminiumbleche mit Wandstärken kleiner als 1,5 mm nicht häufig Verwendung finden. Dieses Kriterium hat die Anzahl geeigneter Legierungen stark verringert, sodass am Ende fünf Legierungen den Kriterien genügten und untersucht wurden. Als Referenzen wurden folgende Kupferlegierungen ausgewählt: CuSn6, CuSn0,15 und CuFe2P.

Interessante Ergebnisse

Die Ergebnisse der Biegeuntersuchungen zeigten, dass sich unbeschichtete und kupferbeschichtete Aluminiumlegierungen hinsichtlich ihrer Biegbarkeit ähnlich den Referenzlegierungen auf Kupferbasis verhalten. Bei kleineren relativen Radien (gebogener Radius/Materialstärke) ist die Rissbildung bei Aluminium stärker ausgeprägt, was durch die geringeren Duktilitäten erklärt werden kann. Interessant ist, dass die Rissbildung auf Verformungsgrenzen des jeweiligen Substrats zurückzuführen ist und in Bezug auf das Haftverhalten des Schicht-Substrat-Systems keine Schichtabplatzungen oder ähnliches erkennbar waren. Bild 6 zeigt die Gegenüberstellung einer verkupferten Aluminium- und Kupferlegierung, die beide mit einem relativen Biegeradius von 2,0 beaufschlagt wurden.

Bei nickelbeschichteten Aluminiumlegierungen waren hinsichtlich vernickelter Kupferlegierungen Risse bereits bei doppelt großen Radien vorhanden. Hierbei waren keine Haftungsprobleme der Beschichtung erkennbar, sondern Risse des Grundmaterials, welches durch die Sprödigkeit des Nickels mit gerissen ist. Die Biegeuntersuchung zeigte zwischen Aluminiumlegierung und deren Beschichtung eine wesentlich stärkere Haftung als ursprünglich vermutet. Die Radien müssen wegen den geringeren Verformungsgrenzen des Aluminiums zwar etwas größer gewählt werden, was aber nicht mit der Haftfestigkeit der Beschichtungen auf Aluminiumlegierungen zusammenhängt.

Die Ergebnisse der Verschleiß- oder auch Tribologieuntersuchung liegen bei Aluminium- und Kupferlegierungen nah beieinander. Der so genannte „Eierschaleneffekt“, also ein weiches Grundmaterial, welches die (wesentlich) härtere Beschichtung einbrechen lässt, kann ausgeschlossen werden. In Bild 7 werden die untersuchten Aluminium- und Referenzlegierungen bezüglich der Messzyklen bis zum Schichtversagen und ihrer Härte (Zugfestigkeitswerte) gegenübergestellt. Das Diagramm zeigt keine Proportionalität zwischen Härte/Zugfestigkeit und Verschleißverhalten. Allerdings lässt diese Gegenüberstellung erkennen, dass alle Aluminiumlegierungen mit höheren Härte- und Zugfestigkeitswerten eine hohe Verschleißresistenz aufweisen, weiche Aluminiumlegierungen weisen hingegen eine geringere Resistenz hinsichtlich des Abriebs auf. Ein weiteres positives Ergebnis ist, dass die Reibverschleißresistenz von Aluminiumlegierungen höher als die von Kupferlegierungen war, was ein überlegenes Dauerverhalten darstellt.

Die Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften haben eine unwesentliche Abweichung des gemessenen zum errechneten Übergangswiderstand von beschichteten Aluminiumlegierungen im Gegensatz zu beschichtetem Kupfer ergeben. Um einen möglichen Zusammenhang, der durch Versuche ermittelten Werte und Angaben aus dem Datenblatt zu erhalten, wird aus dem materialstärkeabhängigen, spezifischen Widerstand der Durchgangswiderstand errechnet. Dieser wird wiederum mit dem gemessenen Übergangswiderstand mittels Diagramm in Relation gesetzt. Anhand Bild 8 ist ein Zusammenhang erkennbar. Die Ähnlichkeit ist jedoch nicht als proportional zu bewerten, der Trend der Widerstände zueinander ist, bis auf die erste Kupferlegierung, annähernd ähnlich. Übergangswiderstände von beschichteten Aluminiumlegierungen zu beschichteter Bronze weichen nicht wesentlich voneinander ab. Eine größere Differenz wurde vermutet, diese aber durch den Versuch widerlegt. Die Diffusionsuntersuchung zeigt bei nickelbeschichteten Aluminiumlegierungen eine geringe Diffusion zwischen den Metallen. Nach Untersuchungen von 144 h und 288 h thermisch ausgelagerter Proben ist bezüglich des Wachstums der Übergangszone, in welcher Aluminium in Nickel eindiffundiert und umgekehrt, kein Unterschied sichtbar. Dies bedeutet, dass sich bereits bei maximal 144 h eine Art Sättigung eingestellt hat. Die Diffusionszone beträgt rund 1,3 µm.

Überrascht hat das Ergebnis von kupferbeschichtetem Aluminium. Die Diffusion ist hier nach 144 h nur gering vorangeschritten. Bei den hier durchgeführten Versuchen wurde eine Diffusionszone von etwa 1,4 µm gemessen. Nach weiteren 144 h Auslagerung vergrößert sich die Diffusionszone minimal auf 1,7 µm. Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt über den zeitlichen Verlauf hinweg ab und es stellt sich wahrscheinlich auch hier eine Sättigung ein. Eine Durchdiffusion ist demnach sehr unwahrscheinlich und bei nicht einsetzender Sättigung erst nach mehreren Hundert Stunden Auslagerung möglich. Nach weiteren Untersuchungen wurde entdeckt, dass das Aluminium auf der Kupferoberfläche nicht durch Diffusion hervorgerufen wird, sondern das Schichtsystem nicht komplett porenfrei ist.

Im Diagramm ist der Anteil in Atomprozent von Aluminiumsubstrat und Kupferschicht im Übergangsbereich dargestellt. Die Messpositionen sind auf der REM-Aufnahme zu erkennen. Bild 9 zeigt ein mit Kupfer beschichtetes Aluminiumblech im Längsschliff. Das Aluminium ist als dunklere Zone zu erkennen und die hellere Zone als Kupferbeschichtung. Bei nicht porenfreier Beschichtung ist Aluminium durch sein unedles Verhalten den Kupferwerkstoffen unterlegen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen die grundsätzliche Eignung von Aluminiumlegierungen als Stanzgitterwerkstoff mit Einschränkungen bei mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Als Lead-Frame für Leistungsbauelemente lassen sich interessante Anwendungen denken, insbesondere aber für Hochstromverbindungen zwischen Cu- und Al-Bauteilen könnten galvanisch veredelte Verbinder echte Vorteile bieten. Beim Einsatz von Aluminium ist auf die Auswahl der Legierung und des Schichtsystems besonderes Augenmerk zu legen. Bei Inovan steht ein Prozess zur Verfügung, der die Herstellung von Mustern für die Funktionsentwicklung und -erprobung erlaubt. Mittelfristig ist die Umsetzung mit etablierten Prozessen geplant, d.h. Stanzen in Folge-Verbund-Technik in Verbindung mit Bandgalvanik.

Aluminium vs. Kupfer

Aus Gewichts- und Kostengründen bietet sich Aluminium für bestimmte Anwendungen der Elektronik und Elektrotechnik im Automobil als Ersatz für Kupferwerkstoffe an. Bei Inovan wurden in einer Studie die wesentlichen Eigenschaften galvanisch veredelter Al-Legierungen mit denen typischer Kupferlegierungen verglichen: Haftung, Umformbarkeit, mechanischer Verschleiß, elektrische Leitfähigkeit, Diffusionseffekte und Korrosion. Die Ergebnisse zeigen die grundsätzliche Eignung von Aluminiumlegierungen als Stanzgitterwerkstoff mit Einschränkungen bei mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit.

Literatur

[1] R. Hoock; Kupfer im Automobilbau – Anwendungen und Randbedingungen; (10.10.2013), http://www.kupfer-Institut.de/symposium/media/pdf/613%20FA%20Hook.indd.pdf

[2] Dr. H. Schmidt, T. Hauswald, U. Blümmel (Doduco); Kontaktierung von Aluminium-Litzenleitern mittels Crimptechnologie; 21. Fachtagung Albert-Keil-Kontaktseminar, 28.-30.9.2011, Tagungsband Seite 121 ff (https://www.vde-verlag.de/proceedings-de/453366021.html)

[3] W. Hentschel; Ressourceneffiziente Lösungen (Autokabel Managementgesellschaft mbH), Best Practice Autokabel; Ressourceneffizienzkongress, 27. und 28.09.2012, ZKM Karlsruhe (http://www.ressourceneffizienzkongress.de/files/f_12_hentschel.pdf)

 [4] W. Schmitt, Dr. S. Kißling, Dr. V. Behrens (Tyco); Elektrochemisch hergestellte Schichtsysteme auf Aluminium für Kontaktanwendungen; 21. Fachtagung Albert-Keil-Kontaktseminar, 28.-30.9.2011, Tagungsband Seite 136 ff (https://www.vde-verlag.de/proceedings-de/453366022.html)