Erdungs- und Abschirmungsmethoden in der Elektronik: Vor- und Nachteile von leitfähigen Haftklebstoffen (CPSA) und anderen Methoden

Befestigungsmittel wie Metallschrauben werden seit vielen Jahren zur Erdung von Komponenten und zur Versiegelung von Metallkäfigen eingesetzt.

Vorteile: Befestigungsmittel aus Metall zur Erdung und Abschirmung weisen eine hervorragende mechanische Festigkeit auf und können elektrischen Strom zuverlässig leiten.

• Nachteile: Mechanische Befestigungsmittel können anfällig für Korrosion und Vibrationen sein. Sie erfordern dickere Metallstrukturen für Stabilität sowie Gewindebohrungen, was auf kleinen Komponenten oder bei beengten Platzverhältnissen nicht immer möglich ist. Außerdem erlauben Befestigungsmittel aus Metall keinen schnellen Zugriff, wenn beispielsweise ein Abschirmdeckel vorhanden ist, was Reparaturen und Erweiterungen erschwert.

Das Einbringen von geschmolzenem Füllmetall in Verbindungsstellen wird seit Jahrzehnten genutzt, um mechanisch stabile, leitfähige Verbindungen zwischen Komponenten herzustellen. Es ist bis heute eine praktische Methode, weil der Schmelzpunkt von Lötmitteln in der Regel niedriger ist als der des umgebenden Materials.

Vorteile: Lötmittel können optimal leitfähige Metalle wie Zinn, Silber und Kupfer enthalten, um einfach und effizient konsistente Erdungsflächen in elektrischen Systemen herzustellen.

• Nachteile: Die neuesten bleifreien Lötmittel können einen hohen Schmelzpunkt von bis zu 220 °C haben. Dies ist nicht optimal für empfindliche Elektronik. Zudem sind Lötstellen permanent, sodass Nacharbeiten umständlich und kostspielig sein können.

• Federstifte bestehen in der Regel aus Federstahl und kombinieren Kompression und Radialkraft, um zwei Komponenten zu verbinden. Unter Kompression baut sich Spannung im Stift auf. Wird die Spannung gelöst, übt sie Kraft zwischen den Komponenten aus und verhindert Scherung, Verrutschen und Vibrationen.

  Vorteile: Federstifte sind eine gute Wahl für Anwendungen, bei denen keine dauerhafte Befestigung, sondern elektrischer Kontakt mit geringerer Kraft benötigt wird. Sie erfordern meist keine zusätzlichen Montageteile und lassen sich relativ einfach entfernen und ersetzen.

  Nachteile: Federstifte werden normalerweise nicht für Anwendungen verwendet, die eine starke Haftung erfordern. Sie sind empfindlicher gegenüber Axialkräften als andere Methoden. Zudem werden sie in der Regel an einem Ende an die Leiterplatte gelötet (siehe Abschnitt „Löten“).

• In leitfähige Materialien eingebettete Schaumstoffe sind stark komprimierbar.

  Vorteile: Leitfähige Schaumstoffe sind eine leichte Alternative zu mechanischen Befestigungsmitteln wie Schrauben und Bolzen. Aufgrund ihrer starken Komprimierbarkeit eignen sie sich hervorragend zum Füllen breiter und unregelmäßiger Spalte – eine besondere Herausforderung bei der Abschirmung und Erdung. Schaumstoff-Dichtungsmaterial wird häufig auf leitfähigen Klebstoff laminiert, um stabile und konsistente Erdungspfade und eine effektive EMI-Abschirmung an Klebnähten zu erhalten. Schaumstoff kann auch mit Pick-and-Place- und anderen automatisierten Bestückungssystemen verwendet werden.

  Nachteile: Schaumstoffe können empfindlicher auf Chemikalien und andere aggressive Umgebungsbedingungen reagieren und im Laufe der Zeit degradieren.

• Laboranten bringen ein Material wie flüssiges Metall auf die Leiterplatte auf. Dieses Material, beispielsweise Silberpaste, enthält ein Lösungsmittel, das bei Erhitzung des Metalls verdampft und eine sehr dünne, leitfähige Schicht auf der Oberfläche hinterlässt.

  Vorteile: Diese Methode eignet sich gut für die Erdung und Abschirmung von kleineren Leiterplattenkomponenten. Sie kann eine äußerst gleichmäßige Filmbeschichtung für eine konsistente Leistung und eine sehr starke Haftung am Substrat ermöglichen.

  Nachteile: Für die thermische Beschichtung wird hoch spezialisierte Ausrüstung benötigt. Das Verfahren kann daher langsam und teuer sein, insbesondere bei niederfrequenten Geräten, die dickeres Metall und mehrere Beschichtungen erfordern. Zudem sind thermische Beschichtungen nicht immer mit Zusatzlösungen wie Klebefolien kompatibel.

Diese leitfähigen Klebstoffe bestehen meist aus flüssigem Zwei-Komponenten-Epoxidharzen. Sie werden normalerweise mit speziellen Auftragsgeräten gemischt und aufgetragen und entweder mit Wärme oder bei Raumtemperatur gehärtet.

Vorteile: Im Gegensatz zu mechanischen Befestigungsmitteln kann mit Klebstoffen eine feste Verbindung über eine gesamte Kontaktfläche hergestellt werden. Darüber hinaus bilden sie bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als Lötmittel permanente Verbindungen.

• Nachteile: Epoxidharze müssen präzise gemischt und aufgetragen werden, da elektromagnetische Frequenzen bei der kleinen, leistungsstarken modernen Elektronik vor allem bei hohen Frequenzen selbst durch kleinste Klebnähte dringen können.