Effiziente Abdichtung gegen elektromagnetische Interferenzen

Statische Dichtungen/Werkstoffe – Elektronik ist heute allgegenwärtig und die verwendeten Bauteile werden immer kleiner. Damit steigen auch die Anforderungen an die Abschirmungstechnik, die sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt hat. Die ersten Materialien verwendeten Füllstoffe wie Silber und versilbertes Kupfer in Silikon-Elastomeren. Neuere Materialien basieren auf kosteneffizienten, versilberten Aluminium- und vernickelten Graphit-Verbundstoffen und sind zur bevorzugten Wahl der Entwickler geworden.

Im Privat- wie im Arbeitsleben der industrialisierten Welt sind wir in einem Maß von Elektronik umgeben, wie wir es uns vor 20 oder 30 Jahren nicht vorstellen konnten. Zu diesen Bereichen zählen das Auto, die Medizintechnik, die Luftund Raumfahrttechnik und die Kommunikationstechnik. Hier sorgt die Elektronik für weiteren Fortschritt in Form von mehr Funktionen, mehr Komfort und kleinerer Formfaktoren. Während sich die Digital- und Analogtechnik durch die Integration mehrerer Bauteile in ein einzelnes Gehäuse und mit immer höherer Leistungsfähigkeit durch kleinere Geometrien weiterentwickelt hat, steigen auch die Anforderungen an die Abschirmung immer dichter bestückter Schaltkreise, bei denen Leistungselektronik in nächster Nähe zu digitaler Logik angeordnet ist. Elastomere mit verschiedenen Füllmaterialien erhöhen hier die Leistungsfähigkeit. Entwicklern steht eine Auswahl an Materialien zur Verfügung, die eine doppelte Funktion erfüllen: als Dichtung zwischen zwei sich berührenden Oberflächen und als Abschirmung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) Bild 1.

Durch die Vielfalt an Anwendungen und Umgebungen, in denen elektronische Geräte zum Einsatz kommen, müssen EMI-Abschirmmaterialien sorgfältig ausgewählt werden. So können Automotive-Anwendungen Öl und Schmierstoffen sowie Temperaturen von -55 bis +100 °C ausgesetzt sein. Anwendungen in der Lebensmittelindustrie können sogar mit noch mehr Substanzen bzw. Materialien in Kontakt treten, wie z.B. Kaffee, Saucen und Getränken.

EMI-Abschirmmaterialien in Geräten, die in Innenräumen zum Einsatz kommen, werden aus umgebungstechnischer Sicht nur begrenzten Anforderungen ausgesetzt. Bei Außenanwendungen hingegen treten größere Temperaturschwankungen sowie Umwelteinflüsse wie Regen, korrosives Meerwasser, Luftschadstoffe und hohe Feuchtigkeit auf.

Die EMI-Abschirmung früh im Entwicklungsprozess berücksichtigen

Unabhängig von der Anwendung oder Umgebung, in der eine EMI-Abschirmung zum Einsatz kommt, muss eine solche Abschirmung Teil des Entwicklungsprozesses werden – am besten bereits von Beginn eines Designs an. Ein sorgfältiges Gehäusedesign und die relative Positionierung bestimmter Bauteile können dabei den Aufwand für eine Abschirmung reduzieren. Das heutige moderne Produktdesign mit seiner hohen Integration bedeutet aber, dass EMI-Aspekte wesentlich häufiger auftreten als in der Vergangenheit.

Selbst bei einem sehr sorgfältigen Design können sich elektromagnetische Interferenzen erst dann bemerkbar machen, wenn sich ein fertiger, in einem Gehäuse befindlicher Prototyp in einem funktionierenden System befindet. Dann müssen verschiedene Materialien für eine EMI-Eindämmung sorgen und so einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb gewährleisten.

In enger Zusammenarbeit mit EMI-Materialspezialisten können bereits sehr früh in der Entwicklungsphase mögliche Probleme erkannt werden. Die frühzeitige Erkennung und Berücksichtigung solcher Aspekte können zu einem kosteneffizienteren und zuverlässigeren Enddesign führen.

Welches Elastomer…

Die Basis eines Elastomers in extrudierten und gegossenen EMI-Abschirmmaterialien bilden Silikone, Fluorsilikone, Fluorkohlenstoffe oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomere (EPDM). Jedes Elastomer hat bestimmte Eigenschaften, die es für bestimmte Anwendungen tauglich oder nicht tauglich macht. Bezüglich der Kosten des fertigen leitfähigen Elastomer-Materials ist der Füllstoff (Filler) wesentlich teurer als das Basis-Elastomer.

Silikon eignet sich sehr gut für Anwendungen, in denen sich hohe Temperaturunterschiede ergeben. Das Material ist für Außenanwendungen tauglich und bietet eine hervorragende Witterungs-, Alterungs- und Ozonbeständigkeit. Silikon bietet auch gute dielektrische Eigenschaften.

Fluorsilikon weist ähnliche Temperaturcharakteristika wie Silikon auf, genauso wie eine hervorragende Witterungs-, Alterungs- und Ozonbeständigkeit sowie dielektrische Eigenschaften. Durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Kraftstoffe, Öle, aliphatische Lösungsmittel, Wasser, verdünnte Basen und Säuren, ist Fluorsilikon für raue Umgebungsbedingungen in Innen- und Außenanwendungen gut geeignet.

Fluorkohlenstoff bietet hervorragende Kompressionseigenschaften und eignet sich für Anwendungen, die während ihrer Lebensdauer auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt werden. Das Material bietet eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Öl, Kraftstoffe, aliphatische, aromatische und chlorierte Lösungsmittel und Säuren sowie eine sehr geringe Gasdurchlässigkeit. Auch die Temperaturbeständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen ist sehr gut.

EPDM bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen Witterung, Ozon, verdünnte Basen und Säuren. Es kann auch in Bereichen mit hohem Wasser- und Dampfauftreten eingesetzt werden.

… und welche Füllstoffe für welchen Einsatz?

Das Metall, das mit dem Basis-Elastomer vermischt wird, ist der Füllstoff (Filler) und sorgt für die Abschirmfunktion des fertig extrudierten oder gegossenen Materials.

Bild 1 Für die umfangreichsten Aufgabenstellungen stehen Abschirmdichtungen gegen elektromagnetische Interferenzen zur Verfügung

Die präzise, gleichförmige Verteilung innerhalb des Bindemittels bringt ein Material mit stabilen und gleichmäßigen elektrischen und physikalischen Eigenschaften hervor. Die häufig verwendeten Materialien bieten verschiedene Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungsfall:

• Nickel/Kohlenstoff (Ni/C) bietet Low-End-Abschirmung und ESD-Schutz mit sehr begrenzter Korrosions- und Flüssigkeitsbeständigkeit.
• Silber/Kupfer (Ag/Cu) widersteht selbst höchsten, durch elektromagnetische Impulse (EMP) induzierten Strömen. Die Materialien eignen sich für kommerzielle High-End-Anwendungen in nicht korrosiven (Innen-)Anwendungen.
• Nickel/Aluminium (Ni/Al) ist der optimale Filler für hohe Abschirmleistung in anspruchsvollen Umgebungen. Er wird meist mit Silikon- oder Fluorsilikon-Elastomeren kombiniert.
• Silber/Aluminium (Ag/Al) eignet sich in Kombination mit einem Fluorsilikon-Elastomer ideal für militärische Zwecke, wenn hohe Abschirmleistung und Korrosionsbeständigkeit gefordert sind.
• Silber (Ag) ist eine teure Option, bietet aber eine hohe Abschirmleistung durch hohe Leitfähigkeit. Dieses Füllmaterial eignet sich für nicht-korrosive Umgebungen. In Kombination mit Silikon bietet es geringe Schließkräfte und eine hohe Abschirmleistung. Der Nachteil ist eine niedrige Reißfestigkeit und begrenzte Beständigkeit gegen Flüssigkeiten.

Geformt oder extrudiert?

Geformte Dichtungen können mit sehr engen Toleranzen für Präzisionsanwendungen gefertigt werden. Entwickler müssen jedoch die Kosten der Fertigungseinrichtungen miteinbeziehen, wenn sie sich für geformte, anstelle extrudierter Lösungen entscheiden. Extrudierte Dichtungen weisen größere Toleranzen auf und werden in einer Vielzahl von Querschnitten angeboten. Im Vergleich zu geformten Dichtungen erfordern sie längere Vorbereitungs- und Sekundärprozesse, um die Dichtung auf die gewünschte Länge zu schneiden und anzupassen.

Fazit

Nach dem hauptsächlichen Einsatz zur Abschirmung von militärischen und von Luft- und Raumfahrt-Elektroniksystemen werden extrudierte und gegossene Abschirmdichtungen nun auch in anderen Anwendungen im kommerziellen Bereich eingesetzt. Dies spiegelt die wachsende Komplexität aktueller Elektroniksysteme wider, die wir heute als selbstverständlich wahrnehmen. Leitfähige Elastomere von Materialspezialisten sind bei Gehäuseentwicklern verschiedener Produkte und Marktsegmente quer durch alle Branchen beliebt.

Fakten für Konstrukteure

• Die möglichst frühzeitige Zusammenarbeit mit EMI-Abschirmspezialisten kann im Entwicklungsstadium dazu beitragen, die Komplexität für Lösungen zur Vermeidung von EMI-Problemen zu verringern

Fakten für Einkäufer

• Mit den richtigen Basiselastormeren und Füllstoffen lassen sich Lösungen für viele Problemstellungen finden
• Die frühzeitige Einbindung von EMI-Abschirmspezialisten senkt die Kosten

Fakten für Qualitätsmanager

• Abschirmdichtungen werden immer mehr auch im kommerziellen Bereich eingesetzt, um eine hohe Produktqualität sicherzustellen

Autor Chomerics Europe, Bruno Chaigneau, Application Engineer