Elektrisch leitfähige Compounds-Materialien zur EMV-Abschirmung auswählen

Vorausgesetzt, dass die Verwendung von Dichtungen und mechanischen Befestigungsmitteln für den geplanten Entwurf ungeeignet oder nicht möglich ist, besteht der nächste Schritt des Entwicklers darin, das passende elektrisch leitfähigen Compound-Material für die Anwendung zu finden.

Zu diesem Zeitpunkt ist es erforderlich, die Funktionen des Compounds der Wichtigkeit nach zu ordnen. In diesem Fall hat die Anwendung zwei Oberflächen, die lediglich eine geringe Menge leitfähigen Schmierfetts erfordern. Ein anderes Beispiel wäre etwa das strukturelle Verbinden von zwei Oberflächen mit einem hochfesten leitfähigen Epoxidharz wie dem CHO-BOND-584-29 von Parker Chomerics. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine Vielzahl von Optionen, die jeweils im Hinblick auf die Leitfähigkeit, strukturelle Festigkeit, Fähigkeit zum Ausfüllen von Spalten und andere Eigenschaften wie die Topfzeit, Nachbearbeitungsfähigkeit und Anwendungsfreundlichkeit variieren. Entwickler sollten die nachfolgenden Eigenschaften in den Auswahlprozess des Compounds einbeziehen.

• Bindemittel oder Basisharzsystem-Silikon, Epoxidharz usw.
• Beliebiger Füllmaterialtyp von Silber bis Kohlenstoff
• 1-Komponenten- oder 2-Komponenten-Compounds
• Typ des Compounds (Klebstoff, Fugendichtmasse, Abdichtung)
• Konsistenz (zähe Pasten bis nahezu flüssig)
• Zugscherfestigkeit
• Durchgangswiderstand bei Gleichstrom
• Verwendungstemperaturbereich
• Härtungstemperatur und -dauer
• Verarbeitungszeit
• Haltbarkeit
• Deckvermögen
• Empfohlene Dicke
• Wärmeausdehnungskoeffizient
• Elektrochemisches Potenzial
• Oberflächenvorbereitung

Die obenstehende Liste deckt möglicherweise nicht alle Eigenschaften des relevanten Materials ab. In jeder Anwendung muss der Ingenieur die Anforderungen an die Funktionalität des Entwurfes neu beurteilen. Inwiefern erfüllen die Materialeigenschaften die wichtigsten Parameter des Designs? Die nächsten Abschnitte klären, warum einige der oben aufgeführten Eigenschaften besonders wichtig sind.

Oberfläche vorbereiten

Bild 1: Querschnitt von Fenster und Blende zur Darstellung der Dichtungs- und Montageanordnung. Parker Chomerics

Tabelle 1: Informationen über das elektrochemische Potenzial des Materials. Parker Chomerics

Tabelle 2: Elektrochemisches Potenzial in Millivolt. Parker Chomerics

Nachdem der Entwickler das Compound-Material sorgfältig ausgewählt hat, sollte er das Datenblatt und jegliche Informationen bezüglich der Oberflächenvorbereitung lesen. Alle Lieferanten geben diese Informationen entweder im Produktdatenblatt oder wie Parker Chomerics in einem separaten Anwendungshinweis zur Oberflächenvorbereitung an. Wenn die Oberflächen nicht ordnungsgemäß vorbereitet wurden, entsteht eine schlechtere Verbindung oder eine Verbindung, die nicht dauerhaft funktionsfähig ist. Zur Vorbereitung können Anwender etwa einfach die Oberflächen mit Isopropylalkohol abwischen oder komplexere Verfahren einsetzen wie eine Koronaentladungsbehandlung, Anätzen, Sandstrahlen oder die Verwendung von Grundierungen.

Richtigen Compoundtyp finden

Leitfähige Compounds lassen sich in Klebstoffe, Fugendichtmassen und Dichtmittel unterteilen. In der Regel haben Klebstoffe feinere leitfähige Partikel und daher maximale Verbindungsschichtdicken, während Fugendichtmassen und Dichtmittel größere Partikel enthalten und daher minimale Verbindungsschichtdicken aufweisen. Es ist daher nicht ratsam, ein Dichtmittel als Klebstoff mit einer dünneren Schichtdicke als spezifiziert zu verwenden, da dies zu unvorhersehbaren Resultaten führen kann, wie dem Brechen der leitfähigen Partikel, einer Beschädigung der Kontaktflächen oder mangelhafter Haftfestigkeit.

Aushärtezeit berücksichtigen

Ein anderer wichtiger Aspekt, den Entwickler bei der Wahl des Materials berücksichten müssen, ist der Aushärtevorgang. Leitfähige Epoxidharze bieten die Möglichkeit der Aushärtung bei hohen Temperaturen. Dies ist jedoch abhängig von den zu fügenden Materialien, da diese oft für hohe Temperaturen nicht geeignet sind, wenn sie nicht aus Metall bestehen. Bestimmte Zwei-Komponenten-Silikone bieten diese Möglichkeit ebenfalls, die am häufigsten verwendeten Ein-Komponenten-RTV-Silikone (RTV; room-temperature-vulcanizing) jedoch nicht. Bei einer Aushärtung bei Raumtemperatur benötigen Silikone in der Regel 24 Stunden, bevor sie sich wieder nutzen lassen, und 7 Tage bis zur vollständigen Aushärtung. Die Aushärtungsdauer hängt auch von einer adäquaten Feuchtigkeit auf den Oberflächen und in der Luft ab. Bei geringer Feuchtigkeit oder dickeren Verbindungsschichten müssen die Aushärtungszeiten möglicherweise verlängert werden.

Elektrochemisches Potenzial

Dieser Faktor ist insbesondere wichtig, wenn die Verbindungen rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind oder in der Schifffahrt zum Einsatz kommen. In solchen Umgebungen sollte die Verbindung elektrochemisch so eng wie möglich auf das Substrat abgestimmt werden (innerhalb von 0,25 V), und bei Bedarf sollte als Schutz eine zweite, nicht leitfähige Fugendichtmasse beziehungsweise ein zweites nicht leitfähiges Dichtmittel aufgetragen werden, um das leitfähige Material zu schützen. Informationen bezüglich des elektrochemischen Potenzials der verschiedenen Füllmaterialien sind in der Regel vom Lieferanten in Form einer Tabelle (Tabelle 1) erhältlich. Auch die Angabe des elektrochemischen Potenzials in Millivolt ist möglich (Tabelle 2).

Verarbeitungszeit

Die Verarbeitungszeit von einigen Ein-Komponenten-RTV-Compounds kann, insbesondere unter Bedingungen mit mittlerer bis hoher Feuchtigkeit, teilweise nur 15 min betragen. Zwei-Komponenten-Compounds benötigen tendenziell eine längere Verarbeitungszeit: von einer halben Stunde bis zu mehreren Stunden. Sie erfordern jedoch ein gründliches Durchmischen.

Empfohlene Dicke

Die Einhaltung der empfohlenen Dicken für einen Compound stellt in der Regel eine gute Haftfestigkeit und Durchgangswiderstandmesswerte sicher, die innerhalb der Herstellerspezifikationen liegen. Während Compounds in bestimmten Fällen außerhalb der empfohlenen Dicken verwendbar sind, führt dies in der Regel dazu, dass eine oder mehrere der typischen Eigenschaften der Verbindung nicht wie erwartet ausfallen. So kann zum Beispiel die Verwendung eines Klebstoffs mit einer zu dicken Schicht zu einem höheren Widerstand und einer geringeren Haftfestigkeit als erwartet führen.

Fallstudie

Muss beispielsweise eine geschirmte Scheibe aus einem gegossenen Monomer in einen Metallrahmen geklebt werden, der typischerweise Temperaturen von -40 °C bis + 50 °C ausgesetzt ist, kommen verschieden Materialien in Frage und der Anwender muss diese entsprechend der Anforderungen auswählen.

Der Metallrahmen besteht aus Alu-Druckguss. Das Fenster und der Rahmen sind mit einer Blende ausgelegt. Der Gussrahmen verfügt über eine Flachheit von ±0,2 mm und die Scheibe ist auf eine Flachheit von ±0,1 mm bearbeitet. Das bedeutet, dass an bestimmten Stellen ein Spalt von rund 0,6 mm und an anderen Stellen kein Spalt vorhanden sein kann. Das bedeutet, dass leitfähige Epoxidharze wahrscheinlich ungeeignet sind, da die empfohlene Dicke für Produkte rund 0,025 mm beträgt, während die leitfähigen Silikone wie CHO-BOND-1038 eine empfohlene Mindestdicke von 0,2 mm aufweisen.

Die Ausdehnungskoeffizienten der gegossenen Scheibe und des Aluminiums unterscheiden sich jedoch deutlich: der Ausdehnungskoeffizient des Aluminiums beträgt rund 24 x 10^-6 mm/mm/°C, derjenige der Kunstharzscheibe rund das Vierfache. Das bedeutet, dass die Länge einer bei 23 °C montierten und dann auf -40 °C abgekühlten 50 mm dicken Scheibe sich um 0,3 mm verändert, während die des Metalls sich lediglich um rund 0,077 mm verändert – eine Differenz von rund 0,23 mm. Diese Differenz muss insbesondere bei Verwendung von starren Epoxidharzen oder sehr dünnen Verbindungsschichten berücksichtigt werden, da die Verbindung selbst flexibel genug sein muss, um die Variation des Spalts auszugleichen.

Ein weiterer Aspekt, den es zu beachten gilt, ist das elektrochemische Potenzial der Kontaktflächen. Dieses beträgt bei Silber rund 0 V und bei Aluminium rund -0,7 V. Das bedeutet, dass die Verbindung, wenn sie nicht geschützt ist, mit der Zeit korrodiert, insbesondere bei aggressiven Umwelteinflüssen. Um dem entgegenzuwirken, muss der Anwender eine zusätzliche, nicht leitfähige Schicht zwischen der Außenseite und der EMI-Dichtung aufbringen.

Zusammenfassend ist Folgendes festzuhalten:

• Auswahl des richtigen Compound-Materials 
• Oberfläche ordnungsgemäß vorbereiten
• Design für die Verwendung des Compounds anpassen
• Auftragen automatisieren

(prm)