Edelmetalle im Auto heute und morgen: E-Mobility – Trends und deren Bedeutung für die Galvanik     

Welche Änderungen sind beim Einsatz von funktionalen Oberflächenbeschichtungen insbesondere von Edelmetalloberflächen in Automobilen zu erwarten? Wie sind die aktuellen Beschichtungen im konventionellen Kraftfahrzeug und wie die erkennbaren Trends, hervorgerufen durch den Wandel zur Elektromobilität, zu bewerten. Diesen Fragen ging der Fachausschuss Edelmetalle in seiner Abhandlung nach.

Diese Abhandlung versucht, die in den kommenden Jahren zu erwartenden Änderungen beim Einsatz von funktionalen Oberflächenbeschichtungen und speziell der Edelmetalloberflächen in Automobilen zu beschreiben. Die aktuellen Beschichtungen im konventionellen Kraftfahrzeug werden beleuchtet und die erkennbaren Trends, hervorgerufen durch den Wandel zur Elektromobilität, beschrieben.

Status Quo

Vor 50 Jahren waren die wichtigsten Bereiche der Automobilelektronik Systeme wie Batterie, Anlasser, Zündung, Licht und Radio. Die Mechanik stand im Vordergrund. Heute bestimmen elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug die Funktion und Zuverlässigkeit im täglichen Betrieb. Allein ein moderner Motor hat heute teils mehr als 300 Leitungen, die über Kontaktstellen Aktoren und Sensoren steuern. Die Anforderungen im Fahrzeug sind nicht in allen Einsatzbereichen gleich groß. Naturgemäß liegen, wie aus Tabelle 1 hervorgeht, die höchsten Anforderungen im Antriebsstrang und den Sicherheitssystemen. Die Verbindungstechnik im Motorraum und Antriebsstrang wird stark durch Wärme, Vibration und Schmutz beansprucht. Steckverbinder für Sicherheitssysteme müssen hoch zuverlässig sein, da sie sich nicht im Dauerbetrieb befinden aber in Gefahrensituationen 100 -prozentig funktionieren müssen.

Tabelle 1: Anforderungen an Kontaktelemente in unterschiedlichen Kfz-Bereichen

 

Anforderungen in Bezug auf

Bereich

Vibration

Dichtheit

Sicherheit

Packungsdichte

Antriebsstrang/Fahrwerk

++

++

++

++

Energieversorgung

++

-

++

-

Sicherheitssysteme

++

++

++

+

Licht

+

+

+

-

Infosysteme

-

-

+

+

Komfort

-

-

-

+

++ = sehr hoch, - = gering

 

Der Aufbau elektrischer Kontakte für Steckverbinder basiert derzeit meist auf der Anwendung unedler Basislegierungen (Kupfer-, Zinn-, Zink-, Eisen-, Nickel-, Silizium- Legierungen) und den Kontaktbeschichtungen aus edlen (Silber-, Palladium-, Goldlegierungen), die überwiegend galvanotechnisch auf den Kontaktoberflächen niedergeschlagen werden und unedlen Zinnbeschichtungen. Zinn und Zinnlegierungen werden vornehmlich durch Schmelztauchbeschichtung, Gold- und Silberlegierungen können auch durch Walzplattieren auf Kontaktoberflächen aufgebracht werden (Tabelle 2).

Tabelle 2: Beschichtung für Steckverbinder [1]        

Kupfer- und Nickel bzw. Nickellegierungen werden im Wesentlichen zur Haftungsverbesserung und als Diffusionssperre direkt in der Kontaktzone verwendet. Nickel und seine Legierungen spielen darüber hinaus eine wichtige Rolle als Korrosionsschutz und im tribologischen Verhalten eines Kontaktes.

Zinn und seine Legierungen finden vorzugsweise bei Niedrig-Kosten-Kontakten Anwendung. Edelmetalle kommen immer dort zur Anwendung, wo hohe Anforderungen an Kontaktverhalten und Zuverlässigkeit gestellt werden. Probleme bei den unedlen Kontaktbeschichtungswerkstoffen stellen die hohen Reibungskräfte und die Neigung zur Tribokorrosion (Fretting) dar. Bei den edlen Beschichtungsmaterialien sind es die Kosten. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an die Kontakte, wie z. B. höhere Temperaturen im Motorraum/Antriebsstrang eines Automobils, stoßen die derzeit verwendeten Beschichtungswerkstoffe zunehmend an ihre Grenzen. Für den applikationsspezifischen Einsatz von Steckverbindern spielt dabei die Temperaturbeständigkeit der eingesetzten Beschichtungsabfolgen eine zunehmende Bedeutung.                            

Tabelle 3: Grenzwerte für Langzeittemperaturbeanspruchung bei verschiedenen Kontaktbeschichtungen [2]                

Neben den galvanischen Beschichtungen findet man im Bereich der Leiterplattentechnik chem. Zinn- und chem. Silber-Schichten. Goldschichtsysteme finden in diesem Bereich in Form von ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) und ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) Anwendung.

Der kontinuierliche Anstieg der Menge an Edelmetallen (Gold und insbesondere Silber) pro Fahrzeug in der Vergangenheit, ist darauf zurückzuführen, dass beispielsweise die Anzahl an elektronischen Steuergeräten stetig gewachsen ist. So ist im Golf 1 nur ein Steuergerät verbaut, im Golf 7 aber ca. 60 Stück. Heute sind im gesamten Elektrik- und Elektronikbereich in Deutschland 12 t Gold im Einsatz [3].

Zukünftige Entwicklung

Während über Jahrzehnte der Verbrennungsmotor in den Fahrzeugen dominierte, zeichnet sich nur dessen Ablösung durch neue Antriebsformen. Besonders dem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug wird diesbezüglich eine große Erfolgschance eingeräumt. Mit den Brennstoffzellen steht ein weiteres Antriebssystem für die Elektromobilität im Wettbewerb zur Batterietechnik. Für beide Fahrzeugtypen werden neue Elektronikkomponenten mit neuen und/oder modifizierten Schichtsystemen für die Bereiche:

  • Elektrischer Antriebsstrang
  • Hochspannungsbatterie / Brennstoffzelle
  • Batteriemanagement
  • Komfortsysteme
  • Infotainment
  • Sicherheitssysteme
  • Systeme für automatisiertes Fahren
  • Leistungselektronik-Systeme
  • Ladekabel und Dose

benötigt. Dies stellt auch die Oberflächentechnik vor Herausforderungen.

In der nachfolgenden Abbildung 1 ist nach Einschätzung des Ökoinstitutes e.V. die Relevanz wichtiger Metalle, einschließlich der Edelmetalle, im Auto für die wesentlichen Komponenten (ausgenommen Batterie) der Elektromobilität in einer halbquantitativen Darstellung wiedergegeben [4]. Je nach Größe der dargestellten Kreise werden die Metalle entweder im Milligramm-, Gramm- oder Kilogramm-Bereich (betrifft nur Kupfer) in den einzelnen Komponenten der E-Mobile eingesetzt. Von den Edelmetallen sind im Gramm-Bereich Silber in der Leistungselektronik, der Verkabelung und der Ladekabel sowie Platin in Brennstoffzellen der entsprechenden Fahrzeuge im Einsatz. Gold und Palladium sind heute in der Elektromobilität vor allem in der Leistungselektronik im Milligramm-Bereich zu finden.

In der schraffierten Darstellung sind im Vergleich die Größenordnungen der Metallmengen für Komponenten des konventionellen (ICE = internal combustion engine) Antriebsstrangs dargestellt. Hier ist vor allem Kupfer (Standardverkabelung, Lichtmaschine usw.) sowie Platin und Palladium (Abgaskatalysator) hervorzuheben. Gerade im Fall von Platin und Palladium ergeben sich gegenläufige Effekte, da die Elektromobilität einerseits den Bedarf spezifisch erhöht (Platin für Brennstoffzellen, Palladium in der Leistungselektronik) aber andererseits im Falle vollelektrischer Fahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge der Abgaskatalysator und damit der entsprechende Platin- und Palladiumbedarf eingespart wird.

Abbildung 1: Übersicht der Komponenten und der Rohstoffbedarfe [4]

Für die Zukunft prognostizieren die Experten in einer Studie des Ökoinstituts, dass bei einem künftigen jährlichen Absatz von einer Million Elektrofahrzeuge sieben Tonnen Zinn, 85 Kilogramm Gold, 300 Kilogramm Silber, 17 Kilogramm Palladium und 70 Tonnen Kupfer durch Recycling wiedergewonnen werden können.

Mit Einführung der Elektromobilität kommen mit benötigten Leistungsmodulen und der Verbindungstechnik zu den Antrieben und den Batteriesystemen besondere Bedeutung in Bezug auf den Edelmetalleinsatz zu.
Des Weiteren wird mit autonomen Systemen die Datenverarbeitung innerhalb der Automobile rapid ansteigen, was neue Architekturen des Bordnetzes zu Folge hat. Diese Systeme müssen zusätzlich bezgl. Ihrer Sicherheit ausfallsicher arbeiten, was eine Verwendung von Edelmetallen für die Verbindungstechnik zur Folge haben wird. Auch immer höhere Datenraten werden genutzt, so dass HF-Signale störsicher durch die Bordnetze geleitet werden müssen.

Steckverbinder

In der Elektromobilität sind Kontaktoberflächen für Steckverbinder von besonderer Bedeutung. Für höchste Ansprüche in Bezug auf Temperaturstabilität und Vibrationsbelastungen werden verschleißfeste Silberoberflächen benötigt. Im Low-Cost-Bereich dominiert die Zinnbeschichtung. Zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen einer Silber- und einer Zinnbeschichtung ist festzustellen, dass Silberoberflächen bis zum Versagen etwa 40.000 bis 50.000 Mikrobewegungszyklen erlauben, während es für Zinn weniger als 100 sind [5]. Im Motorraum wird Silber wegen der steigenden Temperatur- und Vibrationsbelastung am häufigsten zur Anwendung kommen.

Bei Leistungssteckverbindern, wie sie im elektrischen Antriebstrang eingesetzt werden, ist ein kleiner Kontaktwiderstand notwendig. Da Silber von allen Metallen die höchste elektrische Leitfähigkeit besitzt, gilt diese Beschichtung für diesen Anwendungsbereich als gesetzt. Im Bereich der Informationsverarbeitung mit der Übertragung von hohen Datenraten über geschirmte Leitungen ist Hartgold die am häufigsten verwendete Kontaktbeschichtung.

Bei künftigen Bordnetzarchitekturen zeigt sich der Trend, dass Aufgrund der hohen zu verarbeitenden Datenraten vermehrt Zentralrechner Anwendung finden werden. Dabei werden hochpolige High-Speed Steckverbinder eingesetzt, die in Folge der hohen Zuverlässigkeitsanforderungen bei geringen Steckkräften möglicherweise mit Hartgoldoberflächen ausgeführt werden müssen.

Leistungselektronik

Leistungselektronik-Module können elektrische Energie umformen. Dabei wird die Spannungsform sowie deren Frequenz umgewandelt. So kann man beispielsweise den Gleichstrom eines Akkumulators passend in Spannung, Strom und Frequenz für den elektrischen Antriebsmotor konvertieren. Im Bereich der Leistungselektronik werden die Anforderungen an Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit der Module steigen. Die Miniaturisierung wird schnell fortschreiten (Einsparung Bauraum und Gewicht) und damit und durch den Einsatz der "wide band gap" Materialien (z.B. SiC) auch die Temperaturanforderungen an die Bauteile. Temperaturen von 200-220 °C in der Nähe des Halbleiterbauteils werden dann erreicht.  Im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik wird sich das Silbersintern der Siliziumchips anstelle vom Löten durchsetzen. Dafür werden Silberoberflächen auf den Metall-Keramik-Substraten (DCB, AMB) benötigt. Aufgrund der höheren Leistungen Ströme/Temperaturen und Zuverlässigkeitsanforderungen können nur noch Silberkontakte bzw. Silberbeschichtungen für Steckverbindungen und Schraubanschlüssen eingesetzt werden. 

Ladestecker

Die neuen Generationen von Stecker für die Schnellladung von Elektroautos müssen Ladeleistungen von ca. 400 KW mit Ladeströmen 400 A und mehr übertragen. Dabei werden zurzeit bis zu 20.000 Steckzyklen gefordert. Um diese Ladesysteme noch handzuhaben zu können, müssen die Ladekabel und Steckverbinder gekühlt ausgeführt werden. Für diese fluidgekühlten Steck-Systeme kommen aus Sicht der Stromtragfähigkeit und der geforderten Betätigungen Stand heute nur dicke Silberschichten als Funktionsoberflächen in Frage, die entsprechend verschleißfest und abriebsicher ausgeführt werden müssen. Bezüglich der Sicherheit müssen die Ladevorgänge vor Überhitzung geschützt werden und die Kontakte entsprechend temperaturüberwacht werden. Die entsprechende Norm IEC TS 62196-3-1 ist in der Überarbeitung.

Hochfrequenz-/BUS-Systeme

Autonomes und automatisiertes Fahren, Kommunikation mit der Infrastruktur, Anbindung an das Internet sind Herausforderungen, die Auswirkungen auf die Bordnetzarchitektur haben werden. So werden die riesigen Datenmengen, die dadurch anfallen und verarbeitet werden müssen, nicht mehr dezentral in diversen Steuergeräten ausgewertet, sondern in zentralen teils redundanten Hochgeschwindigkeitsrechnern, die eine andere, nicht traditionelle Automobilaufbautechnik erfordern. Aus heutiger Sicht werden Backplane-Systeme angedacht, wobei die hochpoligen und vibrationsfesten Ausführungen möglicherweise nur mittels AU- oder PdNi Kontaktbeschichtungen ausgeführt werden können.

Konsequenzen für die Galvanik

Für alle Elektronikkomponenten müssen zukünftig effiziente und kostengünstige Beschichtungstechnologien entwickelt und eingeführt werden.
Dazu werden Reel-to-Reel Beschichtungen benötigt. Speziell für die Leistungselektronik kann dies bedeuten, dass vermehrt stärkere Substrate (>2 mm) zur Anwendung kommen, die dann neue Anforderungen an die Anlagentechnologie bzgl. der Bandführungen, Zellentechnik und Wickeltechnik stellen.

Für größere Bauelemente oder Kontaktelemente, die nicht mehr in Stanzgitterbändern gefertigt und gehandhabt werden können, müssen hochproduktive Anlagen für Stückgutgalvanisierung in Selektivtechnik entwickelt werden.

Aufgrund der höheren Zuverlässigkeit und Temperaturfestigkeit wird Silber gegenüber Zinn bevorzugt eingesetzt werden. Die Abscheidung dieser Funktionsoberflächen mit höheren Schichtdicken und guter Verschleißfestigkeit stellt in Hinblick auf Abscheidegeschwindigkeiten und Selektivität eine Herausforderung dar.

Quellen

[1] H. Schmidt, TE Connectivity Germany GmbH, 2019
[2] H. Schmidt, TE Connectivity Germany GmbH, 2019
[3] E. Bulach, Ökoinstitut, emobilitaet.online, 7.3.2017
[4] Ökoinstitut, aus: Ressourceneffizienz und ressourcenpolitische Aspekte des Systems
      Elektromobilität, 2011
[5] H. Schmidt, TE Connectivity Germany GmbH, 2019