Einfluss des Spritzgießprozesses auf thermische und elektrische Grenzflächenwiderstände von Werkstoffverbunden auf Basis leitfähiger Kunststoffcompounds

Die Verwendung leitfähiger Kunststoffcompounds unterlag in den letzten Jahren einem kontinuierlichen Wachstum. 2015 betrug das Marktvolumen thermisch leitfähiger Kunststoffcompounds 119,2 Millionen US mit einem prognostiziertem durchschnittlichen Wachstum von 13,6% beziffert, wobei dies auch intrinsisch leitfähige Compounds einschließt. Je nach Leitfähigkeit finden sich elektrisch leitfähige Compounds in rein antistatischen, Abschirmungs- bis hin zu energieübertragenden Anwendungen. Der bevorzugte Einsatz thermisch leitfähiger Compounds ist die Ableitung von Wärme, zumeist in Elektronikanwendungen. Ein entscheidender Vorteil leitfähiger Compounds ist die Möglichkeit, auch komplexe Bauteile funktions- und prozessintegriert herzustellen. Häufig ergeben sich dabei Schnittstellen zu hochleitfähigen, nicht polymeren Materialien. Während die Leitfähigkeit entsprechend modifizierter Compounds bereits hinsichtlich vieler Aspekte untersucht wurde, sodass ein tiefergehendes Verständnis des Einflusses von Füllstoffparametern, Matrixmaterialien oder Verarbeitungsparametern besteht, wurde der Übergang zwischen leitfähigen Compounds und nicht polymeren Substraten und sich dabei einstellenden thermischen oder elektrischen Kontaktwiderständen nur wenig betrachtet. Vor allem bei prozessintegrierten Verbindungen, wie der direkten Anbindung der Substrate im Spritzgießen, finden sich bis auf einige Ausnahmen keine publizierten Erkenntnisse, obwohl diese für eine gezielte Gestaltung und Nutzung unabdingbar sind. Eine mögliche Ursache könnte die hohe Varianz der denkbaren Anbindungssituationen und -verfahren sein. Je nach betrachteter Geometrie können sich eingestellte Prozessparameter, beispielsweise an Verarbeitungsmaschinen, unterschiedlich auswirken. Folglich kann eine für einen breiten Anwendungsbereich gültige Beschreibung nur anhand von lokalen Zustandsgrößen in der Grenzfläche erfolgen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine qualitative Beschreibung der Einflüsse auf die thermischen und elektrischen Übergänge in spritzgegossenen Verbunden aus leitfähigen Polymercompounds und nicht polymeren Substraten zu erarbeiten. Über die Identifikation der bedeutendsten Faktoren hinaus soll zudem die Ableitung von Gestaltungsempfehlungen erfolgen, welche anhand eines Beispiels plausibilisiert werden. Basis stellt die Analyse bestehender Modelle und Untersuchungen zu Kontaktwiderständen aus anderen Bereichen wie dem Kontakt zweier homogener Feststoffe, der Benetzung von Oberflächen mittels Klebstoffen und Ähnlichem dar. Nach der Extraktion der für im Spritzgießen hergestellte Verbunde relevanten Aspekte können diese zu einem Modellansatz zusammengeführt werden, welcher zunächst analytisch und anschließend anhand verschiedenster praktischer Untersuchungen aus dem Spannungsfeld der thermischen und elektrischen Kontaktwiderstände plausibilisiert wird.