Title:
Verfahren zum Aufbringen einer isolierenden Schicht und elektronisches Bauteil
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen einer elektrisch isolierenden Schicht (10) auf eine metallische Oberfläche (11), sowie ein elektronisches Bauteil mit einer solchen. Es ist vorgesehen in einem ersten Schritt (Ia/IIa) ein pulverförmiges Hochtemperaturpolymer (12) mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 20 bis 100 µm auf die metallische Oberfläche (11) aufzutragen und in einem zweiten Schritt (Ib/IIb) auf das aufgetragene Hochtemperaturpolymer (13) mit Wärmestrahlung einzuwirken, wobei die metallische Oberfläche geerdet ist, sodass elektrische Ladungen abfließen.




Inventors:
Behrendt, Reiner Nico, Dr. (38444, Wolfsburg, DE)
Application Number:
DE102015201755A
Publication Date:
08/04/2016
Filing Date:
02/02/2015
Assignee:
VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT, 38440 (DE)
Domestic Patent References:
DE102011116289B4N/A2015-02-26
DE102011077023A1N/A2012-12-13
DE102011115405A1N/A2012-05-03
DE102009047856A1N/A2010-04-29
DE102008007409A1N/A2009-08-06
DE102006061940A1N/A2008-07-03
DE102005009552A1N/A2006-09-07
DE102004036368A1N/A2005-03-03
DE3010982A1N/A1980-09-25



Foreign References:
AT2794U11999-04-26
EP15057112005-02-09
WO2006092126A12006-09-08
Attorney, Agent or Firm:
Gulde & Partner Patent- und Rechtsanwaltskanzlei mbB, 10179, Berlin, DE
Claims:
1. Verfahren zum Auftragen einer elektrisch isolierenden Schicht (10) auf eine metallische Oberfläche (11), wobei in einem ersten Schritt (Ia/IIa) ein pulverförmiges Hochtemperaturpolymer (12) mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 20 bis 100 µm auf die metallische Oberfläche (11) aufgetragen wird und in einem zweiten Schritt (Ib/IIb) auf das aufgetragene Hochtemperaturpolymer (13) Wärmestrahlung einwirkt, wobei die metallische Oberfläche geerdet ist, so dass elektrische Ladungen abfließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Hochtemperaturpolymer (12) ein Polyimid, insbesondere Polyetherimid oder ein Polyetherketon, insbesondere Polyetherketonketon ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des pulverförmigen Hochtemperaturpolymers (12) einen mittleren Durchmesser im Bereich von 20 bis 70 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 45 µm, aufweisen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 50% der Partikel des pulverförmigen Hochtemperaturpolymers (12) einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 40 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 35 µm, aufweisen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung in einem Temperschritt mit elektrischer Erdung im Bereich von 200° bis 400°C, insbesondere im Bereich von 250° bis 350°C auf das aufgetragene Polyimid einwirkt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht (10) eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 200 µm aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt (Ia/IIa) und/oder der zweite Schritt (Ib/IIb) wiederholt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das im ersten Schritt (Ia/IIa) aufgetragene Hochtemperaturpolymer (12) eine Schichtdicke im Bereich von 30 bis 70 µm, insbesondere im Bereich von 45 bis 55 µm aufweist.

9. Elektronisches Bauteil aufweisend einen Schichtstapel (100), umfassend zwei metallische Oberflächen (11), die einander zugewandt angeordnet sind, wobei zur elektrischen Isolation auf den metallischen Oberflächen (11) eine isolierende Schicht (10) angeordnet ist, welche mit dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebracht oder aufbringbar ist.

10. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das das Bauteil ein Schaltring (30) oder eine Spule ist.

Description:

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Auftragen einer elektrisch isolierenden Schicht auf eine metallische Oberfläche, sowie ein elektronisches Bauteil mit einer solchen.

Elektrische Maschinen (elektromechanische Wandler), beispielsweise elektrische Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge, Starter, Generatoren oder Starter-Generatoren, wandeln elektrische Energie in mechanische Energie (Motoren) beziehungsweise mechanische Energie in elektrische Energie (Generatoren) um. Diese elektromechanische Umwandlung beruht auf elektromagnetischer Induktion. Derartige elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator (auch Ständer oder Primärteil genannt), der nach einer häufigen Bauart einen Statorkern (Blechpaket) mit einer Vielzahl von mit entsprechenden Drahtwicklungen umwickelten Statorpolen umfasst. Elektrische Maschinen umfassen eine bewegliche Komponente (auch Läufer oder Sekundärteil genannt), die bei dem häufigsten Bautyp als Rotor ausgebildet ist, welcher drehbar in dem oder um den ringförmig ausgebildeten Stator gelagert ist und eine Vielzahl an Permanentmagneten aufweist. Dabei wird aufgrund des bewegten Magnetfeldes des Rotors ein Stromfluss in der Statorwicklung erzeugt (Generator) beziehungsweise aufgrund des durch den Stator erzeugten Magnetfeldes die mechanische Bewegung/Rotation des Rotors bewirkt (Motor). Umgekehrte Bautypen, bei denen der Rotor eine Wicklung und der Stator Magnete umfasst, sind ebenfalls bekannt.

Die einzelnen Wicklungen des Stators oder Rotors sind miteinander und nach außen durch einen Schaltring (auch als Verschaltungsring oder Kontaktbrücke bezeichnet) elektrisch verschaltet. Der Schaltring ist üblicherweise auf dem Wickelkopf angeordnet und weist mehrere Schaltringelemente auf. So umfasst bei 3-Phasen-Wechselstrom-Maschinen der Schaltring üblicherweise drei Schaltringelemente, die jeweils jede dritte Teilwicklung (Spule) elektrisch miteinander verschalten. So beschreibt EP 1 505 711 A2 (DE 10 2004 036 368 A1) eine Schaltringanordnung für einen Stator eines dreiphasigen Drehstrommotors, die aus drei übereinander liegenden Schaltringelementen in Form von Kupferschienen, von denen jeder jede dritte Wicklung des Stators miteinander verschaltet, sowie einem Sternpunktring besteht. Zwischen den einzelnen Schaltringelementen und dem Sternpunktring ist jeweils ein Isolierring aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Auch DE 10 2008 007 409 A1 beschreibt eine dreiteilige Schaltringanordnung für einen Stator, wobei drei Schaltringelemente sowie ein Sternpunktring in einer Ebene flächig nebeneinander liegend in einem Trägerring aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, wie Polyphenylensulfid, eingeschlossen sind. Kontaktstellen der Schaltringelemente sowie des Sternpunktrings ragen aus dem Trägerring heraus und sind mit den Drahtenden der Teilwicklungen des Stators verbunden. Die in DE 10 2011 115 405 A1 beschriebene Schaltringanordnung weist drei im Wesentlichen koaxial angeordnete Schaltringelemente auf, die in einem Kunststoff eingebettet und somit voneinander isoliert sind. Die Herstellung erfolgt durch Spritzguss. Die Schaltringanordnungen der DE 10 2008 007 409 A1 und DE 10 2011 115 405 A1 sind somit als kompakte Bauteile ausgeführt, in denen die einzelnen Schaltringe in massiven Kunststoffkörpern eingebettet sind.

An das elektrisch isolierende Material elektronischer Bauteile, beispielsweise zwischen den Schaltringelementen, werden hohe Anforderungen gestellt. Es muss in erster Linie ein hohes elektrisches Isolationsvermögen und insbesondere eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen. Darüber hinaus muss es über eine hohe Beständigkeit insbesondere gegenüber Temperaturschwankungen und -spitzen verfügen. Diese Eigenschaften sollten ferner bereits bei niedrigen Schichtdicken von weniger als 500 µm erreicht werden um den Platzbedarf des elektrischen Bauteils möglichst gering zu halten.

Bekannt ist, die einzelnen Kupferschienen vor dem Verbau mit einer elektrisch isolierenden Kunststoffschicht durch Pulverbeschichtung zu versehen. Als Materialien werden insbesondere Epoxidharze verwendet. Hierzu beschreibt DE 30 109 82 A1 eine typische Beschichtungsmasse, bestehend aus einem Epoxidharz, Kautschukelementen und anorganischen Füllstoffen. Epoxidharze haben jedoch den Nachteil, dass sie zur Ausbildung von Fehlstellen neigen, welche wiederum zu elektrischen Durchschlägen führen können.

Das Verfahren der Pulverbeschichtung ist gegenüber Extrusions-, Spritzguss- und Elektrodepositionsverfahren grundsätzlich weniger aufwendig, kann jedoch in Bezug auf die Oberflächenqualität (homogene Schichtdicke) zu Problemen führen, was gerade für elektrische Isolationsanwendungen nachteilig ist.

Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von Hochtemperaturpolymeren wie Polyetheretherketon (PEEK) und Polyphenylensulfid (PPS), welche gemäß den Druckschriften DE 10 2006 061 940 A1, DE10 2005 009 552 A1 und WO 00 2006 0921 26 A1 mittels Polymerpulvermischungen auf einer Oberfläche aufgetragen werden.

Aus DE 10 2009 047 856 A1 ist bekannt, dass bei Auftragen von Kunststoffpartikeln von Polyetherketonen eine Partikelgröße von 10 µm unterschritten werden sollte, um möglichst dünne Schichten zu erzielen.

Als elektrisch isolierendes Material werden neben den beschriebenen Materialien Polyimide eingesetzt, welche im Vergleich zu den oben genannten auf die Anwendung als elektrisches Isolationsmaterial günstigere Eigenschaften aufweisen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie als Band oder Folie oder in Form anderer Halbzeuge eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Isolationswirkung, die Durchschlagfestigkeit sowie die Beständigkeit der isolierenden Schicht weiter zu verbessern und insbesondere ein günstiges Verfahren zur Herstellung einer qualitativ sehr hochwertigen isolierenden Schicht anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein elektronisches Bauteil mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Auftragen einer elektrisch isolierenden Schicht auf eine metallische Oberfläche, wobei in einem ersten Schritt ein pulverförmiges Hochtemperaturpolymer mit einem mittleren Partikeldurchmesser (D50) im Bereich von 20 bis 70 µm auf die metallische Oberfläche aufgetragen wird und in einem zweiten Schritt auf das aufgetragene Hochtemperaturpolymer Wärmestrahlung einwirkt, wobei die metallische Oberfläche geerdet ist, sodass elektrische Ladungen abfließen.

Das Verfahren der Pulverbeschichtung ist gegenüber Extrusions-, Spritzguss- und Elektrodepositionsverfahren deutlich weniger aufwendig. Es zeigt sich, dass der Partikeldurchmesser der bei der Pulverbeschichtung verwendeten Pulverpartikel für die Homogenität und die Haftung der resultierenden Schicht eine große Bedeutung hat. So kommt es bei zu kleinen Partikeln durch deren geringe Masse zu Rücksprüheffekten, die insbesondere bei Materialien mit sehr hoher elektrischer Isolationswirkung zum Tragen kommen. Es wurde beobachtet, dass mit zunehmender Beschichtungsdauer beziehungsweise Beschichtungsstärke die Rücksprüheffekte zunehmen. Ursache ist, dass die Polymerpartikel elektrisch aufgeladen sind, und von bereits auf der metallischen Oberfläche niedergeschlagenen und gleichartig geladenen Polymerpartikeln abgestoßen werden. Durch die gute elektrische Isolation der Partikel behalten die abgeschiedenen Partikel ihre Ladung bei und stoßen neu hinzukommende, insbesondere kleine Partikel mit gleicher Ladung ab. In Abhängigkeit von der Partikelgröße und dem Material beziehungsweise der Speicherwirkung für elektrische Ladungen des Materials führen diese Rücksprüheffekte zu geringen Maximaldicken der isolierenden Schicht von deutlich weniger als 50 µm. Ferner ist die Abscheidung durch diese Effekte sehr unregelmäßig und führt einer erhöhten Anzahl von Stellen auf dem Werkstück, an denen sich kaum Material niederschlägt. Zu große Partikel hingegen werden aufgrund ihrer Masse zwar effektiv auf der Oberfläche niedergeschlagen, verschlechtern jedoch wiederum die Haftung und fördern die Bildung von Inhomogenitäten an der Beschichtungsoberfläche in Form von sogenannter Orangenhaut, da größere Partikel schlechter zusammenfließen.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es eine optimale Partikelgröße des Polymerpulvers gibt, bei der weder relevante Rücksprüheffekte, noch Inhomogenitäten durch schlechte interpartikuläre und/oder schlechte Substrathaftung zu beobachten sind.

Es wurde weiterhin erkannt, dass nach dem Erreichen einer gewissen Schichtdicke, vorzugsweise der halben finalen Endschichtdicke, ein Temperschritt mit elektrischer Erdung des Werkstücks bei einer Temperatur oberhalb der Glastemperatur (bei amorphen Polymeren) beziehungsweise der Schmelztemperatur (bei teilkristallinen Polymeren) des Beschichtungspolymers die Schichteigenschaften deutlich verbessert. Der Temperschritt dient vor allem dem Abfließen von elektrischen Ladungen, aber auch der Vergleichmäßigung des Beschichtungsmaterials (homogenere Schichtdicke) und dem Abbau von möglichen mechanischen Spannungen. Nach dem Temperschritt erfolgt erneut eine Pulverbeschichtung unter den gleichen Parametern wie bei der ersten Pulverbeschichtung, um die finale Endschichtdicke der Polymerschicht zu erzielen.

Durch die verbesserte Homogenität wiederum, sowie der Materialauswahl, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu elektrisch isolierenden Schichten mit deutlich verbesserter Isolationswirkung. Ferner sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Vorbehandlung der metallischen Oberfläche und kein Vorheizen des Werkstücks notwendig, wie es bei den Verfahren des Standes der Technik insbesondere dann der Fall ist, wenn Kupfer als metallische Oberfläche dient.

Als metallische Oberflächen werden vorliegend Oberflächen verstanden, welche metallische elektrische Eigenschaften, also eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit bei möglichst geringen elektrischen Widerständen, sowie eine hohe Beständigkeit aufweisen. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf Kupfer beziehungsweise Kupferverbindungen umfassende Oberflächen angewandt.

Auf die metallische Oberfläche wird im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Hochtemperaturpolymer mittels einer Pulverquelle, beispielsweise mittels einer Sprühpistole, Sprühlanze oder ähnlichem, auf die metallische Oberfläche aufgetragen. Dabei ist es nicht erforderlich, die metallische Oberfläche vorzubehandeln, beispielsweise zu beizen oder vorzuheizen. Vorteilhafter Weise kommt es zwischen der Pulverquelle und der metallischen Oberfläche zu einer Relativbewegung, um zu gewährleisten, dass eine möglichst gleichmäßige Auftragung des Pulvers stattfindet. Nach dem Erreichen einer definierten Schichtdicke, vorzugsweise der halben finalen Schichtdicke wird die mit dem Pulver beschichtete metallische Oberfläche einer Wärmestrahlung in Form eines Temperschritts mit elektrischer Erdung oberhalb der Glastemperatur (bei amorphen Polymeren) beziehungsweise der Schmelztemperatur (bei teilkristallinen Polymeren) ausgesetzt. Die Wärmeeinwirkung findet vorzugsweise nicht punktuell sondern großflächig, vorzugsweise in einem Ofen, statt, um elektrische Ladungen abfließen zu lassen, die Polymerschicht zu vergleichmäßigen und mechanische Materialspannungen abzubauen.

Als Hochtemperaturpolymere sind Polymere zu verstehen, welche hohe Dauereinsatztemperaturen oberhalb von 180 ºC, insbesondere bis zu 250 ºC, aufweisen. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Hochtemperaturpolymer ein Polyimid, insbesondere Polyetherimid, oder ein Polyetherketon, insbesondere Polyetherketonketon. Vorteilhafter Weise werden bei der Verwendung von Polyimid eventuelle Inhomogenitäten der Schicht, insbesondere deren Oberfläche, sehr leicht detektierbar, da insbesondere Polyetherimid eine reflektierende bernsteinfarbene Schicht erzeugt, welche Inhomogenitäten mit bloßem Auge erkennen lässt. Dies bietet den Vorteil einer zuverlässigen Qualitätssicherung. Zudem zeigen Polyimide und Polyetherketone sehr gute elektrische Isolationswirkung und Durchschlagfestigkeit insbesondere auch bei relativ dünnen Schichten.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel des pulverförmigen Hochtemperaturpolymers einen mittleren Durchmesser im Bereich von 20 bis 70 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 45 µm, aufweisen. Untersuchungen ergaben, dass in diesen Bereichen die Homogenität der Schicht bei Erhöhung der Maximalschichtdicke weiter verbessert wird, da die Rücksprüheffekte reduziert werden und gleichzeitig die Haftung der Schicht auf der Oberfläche verbessert wird.

Insbesondere ist bevorzugt, dass zumindest 50 % der Partikel des pulverförmigen Hochtemperaturpolymers einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 40 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 35 µm, aufweisen. Eine möglichst enge Verteilung der Partikeldurchmesser wirkt sich positiv auf die Haftung der Schicht auf der metallischen Oberfläche aus. Weiter konnte gezeigt werden, dass ein mittlerer Partikeldurchmesser von insbesondere 27 µm, insbesondere bei einem D50-Wert der Partikel von 27 µm, eine in Bezug auf die Homogenität, Materialausbeute und Haftung optimierte elektrisch isolierende Schicht erzeugt wird.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Wärmestrahlung in einem Temperschritt im Bereich von 200 bis 400 ºC, insbesondere im Bereich von 250 bis 350 ºC, auf das aufgetragene Hochtemperaturpolymer einwirkt. Der Temperschritt mit elektrischer Erdung des Werkstücks erfolgt bei einer Temperatur oberhalb der Glastemperatur (bei amorphen Polymeren) beziehungsweise der Schmelztemperatur (bei teilkristallinen Polymeren). Der Temperschritt dient vor allem dem Abfließen von elektrischen Ladungen, aber auch der Vergleichmäßigung des Beschichtungsmaterials (homogenere Schichtdicke) und dem Abbau von möglichen mechanischen Spannungen. Nach dem Temperschritt erfolgt vorzugsweise erneut eine Pulverbeschichtung unter den gleichen Parametern wie bei der ersten Pulverbeschichtung, um die finale Schichtdicke der Polymerschicht zu erzielen.

Die bevorzugten Temperaturbereiche liegen vorteilhafter Weise deutlich oberhalb der Glastemperatur der bevorzugten amorphen Hochtemperaturpolymere beziehungsweise oberhalb der der Schmelztemperatur der bevorzugten teilkristallinen Hochtemperaturpolymere. Hochtemperaturpolymere, insbesondere Polyimide und Polyetherketone, sind nicht beziehungsweise nur schwer in die Schmelze überführen, da sie einen Schmelzbereich aufweisen und bereits eine Verkohlung des Polymers einsetzt, bevor das komplette Polymer verflüssigt ist. In den angegebenen Bereichen findet jedoch zumindest eine Deformation, bevorzugt jedoch ein teilweises Aufschmelzen, des Polymers statt, sodass die Partikel eine Verbindung untereinander eingehen können und aufgrund von Deformation und/oder Schmelzen die Hohlräume füllen und/oder die metallische Oberfläche bestmöglich benetzen. Zudem führt der Temperschritt zu einem Entladen beziehungsweise zu einem Abführen von Ladungen aus der polymeren Schicht, da diese infolge des Abscheidens geladener Partikel und/oder polarisierter Partikel elektrisch oder elektrostatisch geladen ist. Bei der Verwendung von Polyimiden, insbesondere Polyetherimid und/oder Polyetherketon, insbesondere Polyetherketonketon, zeigte sich ein Temperschritt bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 325 ºC, insbesondere 310 ºC, für eine Dauer von 10 bis 20 Minuten, insbesondere von zirka 15 Minuten, als besonders günstig zur Erzielung optimaler Schichteigenschaften.

Weiterhin ist bevorzugt, dass die isolierende Schicht eine Schichtdicke im Bereich von 80 bis 200 µm aufweist, insbesondere bevorzugt sind Schichtdicken im Bereich von 90 bis 130 µm.

Bei der Verwendung von Hochtemperaturpolymeren, insbesondere von Polyimiden und Polyetherketon, ist innerhalb dieser Schichtdicken ein sehr guter Kompromiss zwischen Materialmenge und elektrischer Isolation sowie Durchschlagfestigkeit zu erzielen.

Mit besonderem Vorteil werden der erste und/oder der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederholt. Eine zumindest einmalige Wiederholung dient in erster Linie dazu, unter Umständen noch vorhandene Bereiche geringer Materialdicke (Täler) aufzufüllen. Somit erhöhen der Wiederholungsschritt beziehungsweise die Wiederholungsschritte insbesondere die Oberflächenhomogenität und führen zu einheitlichen Schichtdicken über das gesamte Substrat. Da die Schichtdicke der isolierenden Schicht, insbesondere in den bevorzugten Bereichen, sich proportional zu der Durchschlagfestigkeit und dem Isolationsvermögen verhält, wird zudem die Qualität der isolierenden Schicht durch den Wiederholungsvorgang deutlich verbessert.

Dabei ist bevorzugt, dass das im ersten und/oder im zweiten Schritt, vor dem ersten Tempern mit elektrischer Erdung, aufgetragene Hochtemperaturpolymer eine Schichtdicke im Bereich von 30 bis 70 µm, insbesondere im Bereich von 45 bis 55 µm, aufweist, insbesondere wenn eine finale Schichtdicke von 100 µm erzeugt werden soll. Dies führt vorteilhafter Weise dazu, dass die Gesamtschichtdicke auch bei Wiederholung der einzelnen Schritte nicht über die bevorzugten Grenzen hinaus erhöht wird. Zudem wird in dieser Ausgestaltung eine maximale Homogenität der isolierenden Schicht durch den Mehrschichtaufbau erzielt. Vorzugsweise wird nach dem Abscheiden der ersten Schicht bei einer Schichtdicke von 30 bis 70 µm ein Temperschritt mit elektrischer Erdung angeschlossen. Der Temperschritt dient vor allem dem Abfließen von elektrischen Ladungen, aber auch der Vergleichmäßigung des Beschichtungsmaterials (homogenere Schichtdicke) und dem Abbau von möglichen mechanischen Spannungen. Insbesondere in den Bereichen der Schicht, bei denen Rücksprüheffekte infolge geladener Partikel auf der Oberfläche zu einem Stagnieren des Schichtwachstums führen, führt die Entladung durch den Temperschritt dazu, dass auch oder gerade in Bereichen, in denen im ersten Schritt kein oder nur ein gehemmtes Schichtwachstum mehr möglich war, in einem zweiten Abscheidevorgang über das gesamte Substrat eine homogene Gesamtschichtdicke erzielt wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil aufweisend einen Schichtstapel umfassend zwei metallische Oberflächen, die einander zugewandt angeordnet sind, wobei zur elektrischen Isolation auf den metallischen Oberflächen eine isolierende Schicht angeordnet ist, die mit dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufgebracht oder aufbringbar ist. Mit besonderem Vorteil ist das elektronische Bauteil eine Sicherheitskupplung, insbesondere ein Schaltring, für eine elektrische Maschine oder eine Spule.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines Schaltrings, sowie die Anordnung eines darin angeordneten Schichtstapels;

2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform, und

3 eine logarithmische Auftragung einer Partikeldurchmesserverteilung nach einer bevorzugten Ausführungsform.

Der beispielhafte Aufbau eines Schaltrings 30 ist in 2 dargestellt, wobei im unteren Teil der 2 ein vergrößerter Teilausschnitt gezeigt ist.

Der hier dargestellte Schaltring 30 zur Anbindung an einen Stator (nicht dargestellt) weist drei Schaltringelemente 32 auf, die konzentrisch ineinander liegend und in der gewählten Darstellung senkrecht stehend angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Schaltringelementen 32 ist jeweils eine isolierende Schicht 10 angeordnet, sodass die Schaltringelemente 32 elektrisch voneinander isoliert sind. Jedes Schaltringelement 32 weist eine Vielzahl von Kontaktstellen 34 auf, welche axial über die einzelnen Schaltringelemente 32 hervorstehen und radial nach innen abgewinkelt sind. Die Kontaktstellen 34 dienen der elektrischen Verschaltung der Teilwicklungen des Stators miteinander. Zu diesem Zweck werden die Kontaktstellen 34 mit Drahtenden der Teilwicklungen elektrisch leitfähig verbunden, beispielsweise stoffschlüssig durch Schweißen oder Löten. Jedes Schaltringelement 32 weist ferner eine Anschlussstelle 36 auf, welche dem externen Anschluss des Stators beispielsweise an einen Hochvoltanschluss dienen. Jedes Schaltringelement 32 zusammen mit den Kontaktstellen 34 und der Anschlussstelle 36 ist vorzugsweise jeweils einstückig aus einem Metallblech, beispielsweise aus Kupfer hergestellt.

Der Schaltring 30 kann wie in diesem Beispiel ferner einen Sternpunktring 38 aufweisen, der hier ebenfalls in koaxialer Anordnung mit den drei Schaltringelementen 32 als äußere Ringlage angeordnet ist. Zwischen dem Sternpunktring 38 und dem daran anschließenden Schaltringelement 32 ist ebenfalls eine isolierende Schicht 10 vorhanden. Der Sternpunktring 38 bildet den elektrischen Sternpunkt der elektrischen Verschaltung für die Teilwicklungen. Zu diesem Zweck weist der Sternpunktring 38 radial nach innen abgewinkelte Kontaktierungsfortsätze 40 auf, die sich im montierten Zustand auf den Statorpolen des Statorkerns erstrecken und von den Teilwicklungen umwickelt werden. Die Kontaktierungsfortsätze 40 dienen der Kontaktierung eines Endes der um die Pole des Stators gewickelten Teilwicklungen.

Die vorstehend beschriebene Struktur des Schaltrings 30 ist an sich bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen können auch andere Gestaltungen Anwendung finden.

Die untere Detaildarstellung zeigt einen weiter vergrößerten Ausschnitt des Schaltrings 30 und verdeutlicht die Anordnung der isolierenden Schicht 10 zwischen den einzelnen Schaltringelementen 32 des Schaltrings 30. Diese ergeben einen Schichtstapel 100, wobei jedes Schaltringelement 32 eine metallische Oberfläche 11 darstellt, an der beidseits, aber zumindest auf der einer benachbarten metallischen Oberfläche 11 zugewandten Seite, die isolierende Schicht 10 angeordnet ist. Zwischen zwei metallischen Oberflächen 11 sind demnach zwei isolierende Schichten 10 angeordnet. Je nach Qualität und Ausgestaltung der isolierenden Schicht 10 sowie bei größeren Toleranzen der Schaltringelemente 32 können zwischen den isolierenden Schichten 11 Spalte 12 auftreten.

Erfindungsgemäß weist nun der Schaltring 30 eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte isolierende Schicht 10 auf.

2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausgestaltung. In der gezeigten Ausgestaltung umfasst das Verfahren zwei Wiederholungseinheiten I und II, wobei in der ersten Einheit I in zwei Schritten Ia und Ib eine erste Schicht 14 auf einer metallischen Oberfläche 11 angeordnet wird. Im Wiederholungsschritt II wird auf die erste Schicht 14 durch die gleichen Verfahrensschritte IIa und IIb eine weitere Schicht aufgetragen.

Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Schritt Ia eine metallische Oberfläche 11, vorzugsweise eine Kupferoberfläche oder eine Oberfläche 11 aus Kupferverbindungen, bereitgestellt. Die metallische Oberfläche 11 ist zuvor keiner Vorbehandlung unterzogen worden, wie beispielsweise Beizen, Temperieren oder ähnlichem. Auf diese behandelte metallische Oberfläche 11 wird mittels einer Sprühpistole 1 oder -lanze ein pulverförmiges Hochtemperaturpolymer 12 aufgetragen. Um eine möglichst homogene Abscheidung zu erzielen, findet eine Relativbewegung zwischen metallischer Oberfläche 11 und Sprühpistole 1 statt. Dies kann entweder durch Bewegung der metallischen Oberfläche 11 oder, wie gezeigt, durch ein Schwenken der Sprühpistole 1 erreicht werden. Dabei ist es sinnvoll, dass der durch die Schwenkung der Sprühpistole 1 erzielbare Bearbeitungsbereich 12 einer Breite beziehungsweise einer Länge der metallischen Oberfläche 11 entspricht.

Als Hochtemperaturpolymer können Polyimide, insbesondere Polyetherimide aber auch Polyetherketone, insbesondere Polyetherketonketon, eingesetzt werden. Die Partikel des pulverförmig eingesetzten Hochtemperaturpolymers weisen eine möglichst enge Verteilung auf. Besonders günstig sind mittlere Partikelgrößen im Bereich von 20 bis 100 µm, insbesondere im Bereich von 20 bis 70 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 20 bis 45 µm. Besonders geeignet ist ein Hochtemperaturpolymerpulver mit einer Partikelgrößenverteilung von D(v; 0,1) = 7 µm, D(v; 0,5) = 27 µm und D(v; 0,9) = 62 µm, also einem eingesetzten Pulver mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung und einem mittleren Durchmesser 27 µm.

Nach dem Erzielen einer bestimmungsgemäßen Schichtdicke von 80 bis 200 µm, insbesondere von zirka 100 µm, vorzugsweise der halben finalen Schichtdicke wird der Pulverauftrag auf die metallische Oberfläche 11 unterbrochen. In dem sich anschließenden zweiten Schritt Ib wird das aufgetragene Hochtemperaturpolymer 13 einer Wärmestrahlung (Tempern mit elektrischer Erdung) 3 ausgesetzt.

Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die metallische Oberfläche 11 in einem Temperofen eingebracht wird. Die Wärmestrahlung 3 weist eine Temperatur auf, welche sich oberhalb der Glastemperatur des Hochtemperaturpolymers, also insbesondere oberhalb von 180 ºC, insbesondere oberhalb von 250 ºC, befindet. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die Temperatur unterhalb einer für das jeweilige Hochtemperaturpolymer kritischen Temperatur liegt, bei der eine Verkohlung des Hochtemperaturpolymers einsetzen würde. Der Temperschritt liegt im Bereich von einigen Minuten, insbesondere im Bereich von 10 bis 20 Minuten, vorzugsweise bei zirka 15 Minuten.

Das Ergebnis ist eine metallische Oberfläche mit einer darauf angeordneten isolierenden Schicht 10. Um die Qualität dieser isolierenden Schicht 10 weiter zu verbessern, werden die Verfahrensschritte Ia und Ib in einem zweiten Wiederholungsschritt II wiederholt. Ziel ist es, eine Gesamtschichtdicke der isolierenden Schicht 10 von 80 bis 200 µm, insbesondere von 90 bis 120 µm, bevorzugt von zirka 100 µm, zu erzielen. Bei den meisten bekannten Pulverbeschichtungsverfahren mit Hochtemperaturpolymeren sind dazu mindestens drei Beschichtungsschritte erforderlich, die Wahl der Partikelgrößen beziehungsweise der Partikelgrößenverteilung ermöglicht es jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, eine derartige Schichtdicke bereits nach zwei Beschichtungsschritten, unterbrochen von einem Temperschritt mit elektrischer Entladung, zu erzielen.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel:

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde ein Polyetherimid-Granulat (Ultem1000) in einer Flüssigstickstoff gefüllten Pulverisette zu Polyetherimid-Pulver unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung vermahlen und im Vakuum getrocknet. Das Pulver wurde mittels eines Stabinjektors angesaugt und zur Pulverwolke fluidisiert, um über die Pulverlanze ausgestoßen zu werden. Die Pulverbeschichtung wurde mit einem Gesamtvolumenstrom von 2,5 m3/h bei einem Pulverausstoß von 100 g/min durchgeführt. Dabei wurde eine Aufladung des Pulvers über ein Korona System mit 30 kV (GEMA-System) erzielt. Die Pulverabscheidung fand auf ein geerdetes Kupferblech statt, wobei der Abstand zwischen Pulverlanze und Kupferplatte 125 mm betrug. Die Abmessung der Kupferplatte betrug 100 × 100 × 1 mm vom Typ Wieland K1, Cu-OF R2401. Die Beschichtung des Kupfers wurde im kalten Zustand (bei Raumtemperatur) durchgeführt. Eine Partikelgrößenverteilung mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 27 µm (D(v; 0,5)), wobei für die kleinsten Partikel der Partikeldurchmesser 7 µm (D(v; 0,1)) und für die größten Partikel der Durchmesser 62 µm (D(v; 0,9)) betrug, erzielten die besten Ergebnisse. Dabei wurde je Abscheideprozess eine Schichtdicke von 50 µm abgeschieden und anschließend einem 15 minütigen Temperschritt bei 310 ºC unterzogen. Das Ergebnis war eine sehr homogene und gute haftende Polyetherimidschicht mit einer sehr glatten Oberfläche.

Im Gegensatz dazu zeigte bei sonst gleichem Verfahren die Verwendung von Polyetherimidpulver mit einer Partikelgrößenverteilung bei einem mittleren Partikeldurchmesser von 121 µm (D(v; 0,5)), einem kleinsten Partikeldurchmesser von 12 µm (D(v; 0,1)) und einem größten Partikeldurchmesser von 204 µm (D(v; 0,9)) zwar kaum Rücksprüheffekte dafür jedoch eine deutlich erkennbare ungleichmäßige Verteilung, insbesondere der Oberfläche. So zeigte sich insbesondere eine Orangenhaut auf der Schichtoberfläche.

Eine deutliche Reduzierung des mittleren Partikeldurchmessers auf 10 µm (kleinster 6 µm, größter 15 µm) zeigte bereits bei einer Schichtdicke von 50 µm stark zunehmende Rücksprüheffekte und das damit einhergehende gehemmte Schichtwachstum.

3 stellt die Durchmesserverteilung der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eingesetzten Partikel in logarithmischer Auftragung dar. Die auf der Abszisse aufgetragenen Partikeldurchmesser sind in einem Bereich von 30 bis 40 µm am stärksten populiert. Aufgrund der Verteilung ergibt sich ein D50 Wert von 27 µm.

Bezugszeichenliste

1
Sprühpistole
2
Bearbeitungsbereich
3
Wärmestrahlung
10
isolierende Schicht
11
metallische Oberfläche
12
pulverförmiges Hochtemperaturpolymer
13
aufgetragenes Hochtemperaturpolymer
14
erste Schicht
30
Schaltring
32
Schaltringelement
34
Kontaktstelle
36
Anschlussteil
38
Sternpunktring
I
Anordnen einer ersten Schicht
II
Wiederholungsschritt
Ia/IIa
erster Schritt
Ib/IIb
zweiter Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • EP 1505711 A2 [0003]
  • DE 102004036368 A1 [0003]
  • DE 102008007409 A1 [0003, 0003]
  • DE 102011115405 A1 [0003, 0003]
  • DE 3010982 A1 [0005]
  • DE 102006061940 A1 [0007]
  • DE 102005009552 A1 [0007]
  • WO 002006092126 A1 [0007]
  • DE 102009047856 A1 [0008]