Schleifring-Leiterplatten, Schleifringe

Schleifringe stellen einen Sonderfall der Leiterplatte dar. Außer der Übertragung von Signalen und Leistung werden ihre inneren Lumen zum Transport von Kühlwasser, Druckluft, Öl etc. benötigt.

Ihre Anwendungen sind vielfältig, von den Stellmotoren zur Variation der Anstellwinkel der Rotorblätter in Windkraftanlagen, über das Riesenrad auf dem Jahrmarkt, bis hin zu den Industrierobotern in den Schweißstraßen der Automobilindustrie. Überall dort wo Strom bzw. Signale über bewegliche Schnittstellen transportiert werden, ist die Schleifring-Leiterplatte gefragt.

Die Größe der Schleifring-Leiterplatte variiert hierbei von den kleinen 60 mm Schleifringen, für normale Anforderungen, bis bspw. hin zu einem Meter großen Schleifringen, die für die GPS gesteuerte Navigation von Bohrschiffen benötigt werden. Durch die Verwendung von Schleifringen als bewegliche Kontaktflächen ist es möglich, dass sich das Bohrschiff in Wind und Wellen drehen kann, der Bohrturm jedoch in exakter Position bleibt.

Welche Anforderungen werden nun an eine solche Schleifring-Leiterplatte gestellt?

Eine Schleifring-Leiterplatte soll mechanisch widerstandsfähig und verwindungssteif sein, andererseits soll diese hohe Ströme transportieren. Diese Anforderungen werden vom FR4 oft nur bedingt erfüllt.

Es kommen hier Materialdicken zwischen 1,5 und 4 mm zum Einsatz. Kupferdicken von bis zu 210 μm sind heute der übliche Standard. Um vor allem bei großen Formaten die Gefahr der Verwindung–Verwölbung zu minimieren werden hoch-tg Materialien eingesetzt, die eine bessere Charakteristik in diesem Anforderungsprofil besitzen.

Ausführungen

Neben den einfachen Schleifringen mit einer Schleifbahn (Weg) auf der Oberfläche, die in doppelseitiger, nicht durchkontaktierter oder durchkontaktierter Ausführung gebraucht werden, kommen auch 4-lagen Multilayer mit bis zu 20 Wegen auf einer Seite zum Einsatz.

Hier hat sich insbesondere die blind via Technologie einen Stammplatz erobert. Die einzelnen Bahnen werden über die Innenlagen an ein zentrales Schaltfeld angebunden. Da die Potentiale der Vorder und Rückseite getrennt sind, verbietet sich eine Verbindung, dies wird mit der blind via Technik realisiert; die ein massives Dielektrikum zwischen der Vorder- und Rückseite erlaubt.

Oberflächen

Um die bisweilen 100 Mio. Umdrehungen, die eine Schleifring-Leiterplatte während ihrer mittleren Lebensdauer vollführt und hierbei von einem Kontakt „beschliffen“ wird, muss große Sorgfalt auf eine verschleißfeste Oberfläche verwendet werden.

Zunächst wird die Kupferoberfläche mit einem stark einebnenden Kupferbad optimiert.

Die sich üblicherweise anschließende Vernickelung erfolgt optimalerweise in einem spannungsarmen, Niederschläge erzeugendem, Sulfamat-Bad.

Die nun folgende Veredelung mit einem harten, abriebfesten Metall soll nun Gegenstand einer eingehenderen Untersuchung sein.

Hartgold

Hartgold ist in 3 verschiedenen Legierungsbädern im Einsatz. Jeweils die ersten Elemente der Gruppe 8b des Periodensystems, nämlich Eisen, Kobalt und Nickel werden als Gold– „Legierung“ abgeschieden.

Den bei Leiterplatten weitaus größten Marktanteil hat die Kobalt-Goldlegierung.

Die abgeschiedenen Schichten letzterer Legierung haben eine Härte (abhängig von der Badführung und der speziellen Badchemie) von ca. 150-190 HV.

Hier wird eine Kobalt-Goldlegierung abgeschieden die eine Dichte von ca. 17,2 g/cm³ aufweist, d.h. die abgeschiedene Goldlegierung ist ca. 11% leichter als massives Gold (Dichte = 19,3 g/cm³).

Das Kobalt wird als eine Art Polymer der Zusammensetzung Co3[Co(CN)6]2 × xH2o eingebaut.

Das Gold wird als KAu(CN)2 dem Goldbad zugesetzt. Dieses Goldsalz wird von den großen Scheideanstalten verkauft, die Formkosten, also die Kosten die entstehen wenn aus reinem Gold Goldsalz produziert wird sind relativ gering und belaufen sich auf ca. 3 €/g. Aus diesem Grund kann bei der Goldpreisberechnung für einen Goldniederschlag auch nicht der reine Börsenpreis eingesetzt werden, sondern ein um ca. 3 € höherer pro Gramm. Gold wird üblicherweise aus cyanidischen, zitratgepufferten Bädern mit einem Goldgehalt von ca. 8 g/l abgeschieden. Die Kapitalbindung eines Goldbades erreicht bei einer Badgröße von ca. 350l leicht die 100.000 € Marke.

Rhodium

Rhodium ist eines der sechs Platinmetalle, welches sich durch eine außerordentliche Härte auszeichnet (Vickershärte ca. 600-1.000 HV), alle Rhodiumsalze sind krebserregend und entsprechend zu handhaben. Die Rhodiumüberzüge sind relativ spröde und wurden in der Vergangenheit als Kontaktwerkstoff für Schleifringe eher kritisch angesehen, zumal sich die Spannungsrisskorrosion beim Rhodium stärker bemerkbar macht, als bei anderen Edelmetallen.

Rhodium wird üblicherweise aus schwefelsauren Elektrolyten abgeschieden. Der Edelmetallgehalt solcher Elektrolyten liegt bei ca. 2 g/l, d.h. die Kapitalbindung durch das Edelmetall bei einem augenblicklichen Kurs von 22 €/g und Formkosten in Höhe von ca. 13 €/g beträgt nur rund ein Viertel von dem eines Goldbades.

Rhodium hat eine Dichte von ca. 12,4 g/cm³, als ausreichende Schichtdicke für einen hochbelasteten Schleifring sehen Galvanik-Fachleute 0,8-1,0 μm an. Unter dem Aspekt der geringeren Dichte und der reduzierten Schichtdicke ist hier schon ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber dem reinen Gold gegeben.

Ruthenium

Ebenfalls eines der Platinmetalle, wird vor allem als Legierungsbestandteil für Rhodium diskutiert.

Ruthenium ist relativ billig, mit einem aktuellen Preis von ca. 1,75 €/g lassen sich die Abscheidekosten für Rhodium-Ruthenium Niederschläge nochmals um ca. 15-20% reduzieren (gegenüber reinem Rhodium). Auch diese Elektrolyten sind stark sauer und arbeiten mit Metallgehalten von ca. 1,6 g/l Rhodium und 0,4 g/l Ruthenium.

Die typische Schichtcharakteristik für eine Legierung aus 75% Rhodium und 25% Ruthenium sind folgende:

Dichte: ca. 12,38 g/cm³

Max. Schichtdicke: ca. 1 μm

Härte: ca. 750 HV

Mit einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit bietet der Elektrolyt auch technische Vorteile gegenüber dem reinen Rhodium.