Ob zum Bonden oder Markieren von Kunststoffkomponenten, Drahtbondprozesse auf metallischen Kontaktflächen oder die Herstellung von Energiespeichern: In vielen Bereichen der Elektronikindustrie spielt die Haftung eine entscheidende Rolle für Produktqualität und Prozessstabilität.
In der Elektronikindustrie wird zunehmend Plasma eingesetzt, um die Oberflächen verschiedenster Materialien optimal für solche Klebeprozesse vorzubereiten. Diese Technologie ermöglicht die selektive Behandlung von Funktionsoberflächen auf Kunststoffen, Metallen oder Verbundwerkstoffen zur Verbesserung einer Reihe von Folgeprozessen. Während herkömmliche Atmosphärendruck-Plasmasysteme dauerhaft in Anlagen mit entsprechenden Gasversorgungs-, Absaug- und Sicherheitskonzepten integriert werden müssen, bietet das kalte Plasma-Handgerät piezobrush® PZ3 die Möglichkeit der unkomplizierten und manuellen Optimierung von Oberflächen.
Verbesserte Klebeprozesse an Gehäuseteilen
Für die Umhüllung von elektronischen Baugruppen und Geräten werden verschiedenste Materialien und Materialkombinationen verwendet, wie z.B. Aluminium, Standardkunststoffe wie ABS, PC, PA oder PP, aber auch faserverstärkte Verbundwerkstoffe. Neben der Schaffung einer funktionalen Schnittstelle und im Endanwenderbereich einer ansprechenden Optik dient das Gehäuse vor allem dem Schutz der Elektronik vor äußeren Einflüssen und Verschmutzung. Dementsprechend ist eine solide Verklebung der Gehäuseteile für die Qualität des Gesamtproduktes von großer Bedeutung. Die Oberflächen der typischerweise verwendeten Gehäusematerialien sind oft Schmutz und Feuchtigkeit, aber auch Klebstoffe, Druckfarben oder Lacke abweisend. Dies führt in vielen Fällen zu einer unzureichenden Haftung der Verklebung von Gehäusen oder zu einer minderwertigen Qualität von Beschriftungs- oder Designelementen. Diese Probleme sind in erster Linie auf die ungenügende Benetzbarkeit der verwendeten Materialien zurückzuführen. Durch die Behandlung der Oberflächen mit kaltem Atmosphärendruckplasma kann die Benetzbarkeit gezielt verbessert werden. Dies lässt sich durch die Analyse des Kontaktwinkels zwischen einer Testflüssigkeit, wie z.B. Wasser, und der Kunststoffoberfläche nachweisen: Je kleiner der Kontaktwinkel, desto flacher der Tropfen und desto besser die Benetzbarkeit.
Eine hohe Benetzbarkeit ist ein notwendiger Parameter für einen optimierten Folgeprozess wie das Kleben. Dank der kompakten und kostengünstigen Piezo-Direktentladungs-Technologie®, die im Handgerät piezobrush® PZ3 zum Einsatz kommt, können es sich Start-ups und kleinere Unternehmen nun leisten, die Oberflächeneigenschaften von Gehäuseteilen mittels Plasma zu verbessern. Dies wird zum Beispiel bei der Animal Care Technologies GmbH eingesetzt, um die beiden Gehäuseteile des speziell entwickelten Colicheck sicher zu verbinden. Der Colicheck wird als Manschette am Bein des Pferdes angelegt, um den Gesundheitszustand des Pferdes zu verfolgen und Frühsymptome einer Kolik zu erkennen und zu melden. Als Beinmanschette muss das Gehäuse des Colichecks sehr robust und gut verklebt sein. Mit der Plasmatechnologie von relyon plasma können professionelle Klebeverbindungen für das Gehäuse erreicht werden.
"Nur durch den Einsatz der relyon plasma piezobrush PZ2 ist es uns gelungen, eine zuverlässige und dauerhafte Verbindung zwischen unseren Kunststoffgehäuseteilen herzustellen. Sowohl das ABS-Material der Kunststoffschalen als auch der TPE-Zwischenring zeigen durch die Plasmabehandlung eine nahezu unlösbare Verbindung mit dem verwendeten Polymerklebstoff. Ohne die Plasmabehandlung mit der Piezobürste wäre eine für unseren Qualitätsanspruch ausreichende Verklebung nicht möglich", so Doris Hoffmann von Animal Care Technologies GmbH.
Kaltplasma-Technologie
Herkömmliche Plasmaanlagen arbeiten entweder im Niederdruckbereich und sind dementsprechend als Kammern ausgelegt, die mit Komponenten bestückt, abgepumpt und nach der Plasmabehandlung wieder entleert werden. Alternativ gibt es auch inlinefähige Plasmalösungen unter Atmosphärendruck, die jedoch Integrationsaufwand erfordern, wie z.B. die Installation einer Absaugung und die Implementierung einer Prozesssteuerung, um eine Überbehandlung oder Temperaturschädigung von Substraten wie z.B. Kunststoffen zu verhindern. Darüber hinaus kann der direkte Kontakt mit der Plasmaflamme die Gesundheit der Mitarbeiter gefährden.
Das piezobrush® PZ3 Plasma-Handgerät ist viel einfacher zu handhaben. Die hier mittels PDD-Technologie® erzeugte Plasmaentladung ist mit keinem nennenswerten Wärmeverlust verbunden und benötigt daher nur 18 W Leistung. Dadurch ist das piezobrush® im manuellen Betrieb für den Bediener und auch für temperaturempfindliche Materialien, wie z.B. dünne Kunststofffolien, unbedenklich. Auch in Bezug auf die Anschaffungskosten stellt die piezobrush® im Vergleich zu herkömmlichen Systemen wesentlich geringere Hürden dar und eignet sich daher auch für Inbetriebnahmen oder Kleinserien.
Der Grund für die Kompaktheit und Effizienz der piezobrush® PZ3 liegt in den steckbaren, austauschbaren Modulen: Das Herzstück der piezobrush® PZ3 ist der piezoelektrische Plasmagenerator CeraPlas von TDK. Das ca. 7 cm lange Bauelement wandelt eine kleine Eingangsspannung um mehrere Dimensionen hocheffizient um, so dass ein kaltes Plasma unter Raumbedingungen ohne Zusatz von Spezialgasen gezündet werden kann. Dieses Plasma überschreitet eine Temperatur von 50°C nicht und ist eine Mischung aus hochreaktiven Ionen, Radikalen und Neutralteilchen. Insbesondere die Reagenzien auf Sauerstoffbasis sind für die Funktionalisierung von Kunststoffen besonders effektiv. Durch die Behandlung typisch hydrophober Kunststoffe mit der piezobrush® PZ3 und dem Modul Standard reichern sich diese Sauerstoffspezies als polare Endgruppen an den Molekülen der Oberfläche an. Diese wirken hier als funktionelle "Anker", die z.B. mit Klebstoffen oder Druckfarben stabile Verbindungen eingehen können.
Plasma in der Elektronikindustrie
Die Piezobürste PZ3 kann auch zur Feinstreinigung von Metallen oder Halbleitern eingesetzt werden. Dies ist jedoch nur durch den Einsatz des Moduls "Nahfeld" für leitende Substrate möglich. Die Blickfeld GmbH beispielsweise setzt die piezobrush® ein, um die Oberflächeneigenschaften verschiedener Materialien, wie z.B. Halbleiterbauelemente, flexibel und einfach zu verändern. So werden sie für nachfolgende Prozesse optimiert. Das Unternehmen hat eine eigene LiDAR-Technologie entwickelt, die auf patentierten Silizium-MEMS-Spiegeln und kommerziell erhältlichen Komponenten basiert.
Prozessoptimierung in der Fügetechnik
Die kalte Plasmatechnologie der piezobrush® PZ3 kann Prozesse nicht nur bei Gehäusen und Komponenten verbessern. Das Handgerät wird auch in der Fügetechnik eingesetzt. So ist beispielsweise die isolierende Ummantelung von Kabeln oft eine Herausforderung, nicht nur bei der Montage, sondern auch bei der Kennzeichnung. Hier kommen verschiedenste Kunststoffe zum Einsatz, deren Oberflächen eine abstoßende Wirkung auf Klebstoffe oder Druckfarben haben. Typische Materialien sind z.B. PE, PVC, PC, PTFE (Teflon®) oder PI (Kapton®). Bei Prozessen wie Kleben, Vergießen oder Umspritzen von Steckverbindern können Haftungsprobleme auftreten, die sich erst unter Temperatur oder Wechselbelastung bemerkbar machen. Diese Probleme können auf der Seite der Kabelummantelung, aber auch auf der Seite des Steckverbindermaterials auftreten. Dies wird durch eine Plasmavorbehandlung der entsprechenden Oberflächen minimiert.
Auch bei der Markierung des Kabelmantels, z.B. mittels Tintenstrahldruckverfahren, können die Druckbilder auf diesen speziellen Materialien von minderer Qualität sein und die Markierung kann beim Wickeln des Kabels abgerieben werden. Ein Beispieldruck auf einem PTFE-Substrat zeigt, dass selbst auf diesem stark abweisenden Material eine Standard-Inkjet-Tinte viel besser auf der plasmabehandelten Seite des Testcoupons haftet.
Nicht nur bei flüssigen Bindungspartnern wie Klebstoffen oder Tinten kann eine Vorbehandlung der zu benetzenden Oberfläche mit dem piezobrush® eine entscheidende Steigerung der Haftung bewirken. Auf dem Gebiet des Drahtbondens hat die Firma TPT Wire Bonder GmbH & Co. KG durch die Behandlung mit der piezobrush® und dem zugehörigen Modul "Nearfield" den Scherkraftwert beim Drahtbonden auf die Kontaktflächen von Batterien mehr als verdoppeln.
Plasma- und Drahtbonden
Plasma-gestützte Produktionsverfahren für Energiespeichersysteme
Neben der verbesserten Kontaktierung von Batterien lassen sich einige Prozesse auch bei der Herstellung anderer Energiespeicher mit kaltem Atmosphärendruckplasma optimieren. Beispielsweise hilft die Plasmatechnik, die Benetzung von Bipolarplatten mit flüssigen Elektrolyten, wie sie in Brennstoffzellen eingesetzt werden, zu verbessern. Prinzipiell können mit dem Handgerät piezobrush® PZ3 die Benetzungseigenschaften von Oberflächen gezielt verändert werden. Insbesondere für Energiespeichersysteme mit flüssigen Elektrolyten gibt es noch viel Forschungspotenzial im Bereich der inneren Struktur. Was den Außenbereich solcher Zellen betrifft, so ist auch hier die Qualität des Gehäuses ein entscheidender Faktor: Diese müssen höchste Anforderungen an Robustheit und Dichtigkeit erfüllen, eine Anforderung, die mit Hilfe der kalten Plasmatechnik leicht zu erfüllen ist.
Zusammenfassung
In der vorgestellten Auswahl von Anwendungen der piezobrush® PZ3 für Plasma in der Elektronikindustrie wird die große Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten ihrer kompakten kalten Plasmatechnik deutlich: Von Klebeprozessen, wie Kleben oder Bedrucken von Standard-, aber auch Sondermaterialien, über Anwendungen im Drahtbonden bis hin zu Forschungs- und Entwicklungsprojekten, etwa im Bereich der Energiespeicherung. Die einfache Handhabung und intuitive Bedienung machen die piezobrush® PZ3 zum idealen Werkzeug für die Plasmavorbehandlung von der Vorentwicklung bis zur Produktion von Kleinserien.
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