carBONDshield

Motivation

Alle elektrischen Systeme und Geräte erzeugen grundsätzlich elektromagnetische Wellen und sind somit Verursacher elektromagnetischer Interferenzen (EMI). Ein wichtiger Faktor bei der fortschreitenden Digitalisierung ist die drahtlose Kommunikation zwischen unterschiedlichsten Geräten. Um diese in der notwendigen hohen Geschwindigkeit, niedriger Latenz und Fehlerrate für eine Vielzahl von Geräten zu ermöglichen, sind neue Funkstandards wie beispielsweise der 5G-Mobilfunk erforderlich. Diese Standards operieren zur Erreichung der Anforderungen bei Frequenzen im ein- (Mobiltelefone) bis zweistelligen (Industrie-4.0) Gigahertz-Bereich. Um trotz zunehmender »elektromagnetischer Verschmutzungen« eine Beeinflussung anspruchsvoller Elektronikanwendungen so gering wie möglich zu halten, werden neuartige Schirmungskonzepte benötigt.

Darüber hinaus können durch den Einsatz hoher Frequenzen auch häufiger Interferenzen einzelner Komponenten innerhalb der elektronischen Komponenten auftreten. Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Geräte müssen immer mehr Funktionen auf engstem Bauraum untergebracht werden, weshalb klassische Verfahren, wie die Kapselung durch metallische Schirmbleche, nicht nur wegen ihrer begrenzten Schirmleistung an Grenzen stoßen. Gleichzeitig steigen auch die Anforderungen gegenüber Geräteausfällen und Zuverlässigkeit, zum Beispiel bei mobilen Geräten, Wearables, Transportelektronik, Industriesteuerungen.

Mit der weiteren Elektronisierung sowie Digitalisierung der Lebensbereiche werden sich diese Herausforderungen weiter verschärfen, da immer mehr und zugleich auch immer leistungsfähigere Quellen für stark fluktuierende elektromagnetische Störfelder hinzukommen. Daher sind technische Lösungen für die zuverlässige Schirmung elektromagnetischer Felder, insbesondere in hochfrequenten Bereichen, erforderlich. 

Stand der Technik

Aktuelle Lösungen bestehen beispielsweise im metallischen Beschichten von gekapselten Komponenten mittels Physical Vapor Deposition (PVD), Spray- oder Inkjet-Verfahren. Wesentliche Kostentreiber bilden hierbei insbesondere die erforderliche Vakuumtechnik (PVD) oder die Handhabung sowie Lagerung der zumeist hochgefüllten Silbertinten. Die resultierenden Schichten sind zumeist starr und spröde, sodass sie für flexible Elektronikanwendungen nur eine eingeschränkte Eignung aufweisen. 

Lösungsansatz

Die Entwicklung elastischer Abschirmungssysteme beispielsweise auf Basis von Polyurethanen oder Silikonen mit minimalen Füllstoffgehalten weist eine hohe Relevanz auf. Im IGF-Projekt ESDBond haben SKZ und das Fraunhofer IWS bereits erfolgreich flexible elektrisch leitfähige Kleb und Vergusssysteme zur Ableitung elektrostatischer Ladungen modifiziert. Dabei wurden durch den Zusatz geringster Mengen Carbon Nanotubes erhebliche Verringerungen des elektrischen Volumenwiderstands (bis zu 13 Größenordnungen) erreicht, wodurch die elektrisch leitfähigen Modifikationen auch nur mit moderaten Preisänderungen der Ausgangsysteme verbunden sind.

Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen Schirmungsanwendungen auf Polyurethan- sowie Silikonbasis im Projekt »carBONDshield« zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) evaluiert und optimiert werden. Dabei werden sowohl Klebstoffsysteme für die Verbindung und Abdichtung als auch Verguss- und Beschichtungssysteme für die Kapselung elektronischer Komponenten betrachtet.

Neben der Untersuchung gleichartiger homogener CNT-Netzwerke liegt der Schwerpunkt der Arbeiten insbesondere auch auf der Betrachtung segregierter Füllstoffnetzwerke, die mehr als eine Art von Füllstoffen umfassen Dies beinhaltet bspw. neben verschiedenen Kohlenstoffallotropen auch den Einsatz weiterer Füllstoffe, wie z. B. Silber-Nanodrähte (AgNWs) oder weichmagnetischer Additivmischungen. Darüber hinaus sollen Konzepte entwickelt werden, um mit diesen Materialien Mehrschichtstrukturen mit verbesserter Schirmung aufzubauen. Hierdurch sollen höhere Durchsätze und niedrigeren Umsetzungskosten für leistungsfähigere EMI-Abschirmlösungen erreicht werden.