Dr. Rudolf Eberle-Preis 2004

Innovationspreis des Landes Baden-Württemberg

Bei zunehmender Nutzung von Leistungselektronik werden an Kühlkörper und Trägerelemente zur Wärmeableitung temperaturempfindlicher Elektronikbauteile höchste Anforderungen gestellt. Mit der weltweit ersten serientauglichen Anwendung einer revolutionären Beschichtungstechnologie, dem so genannten Kaltgasspritzen, können Aluminiumkühlkörper mit Kupferschichten in so reiner, oxidarmer Form versehen werden, dass diese bis zu 90 % der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer erreichen. Bisher galt das Verlöten von Aluminium und Kupfer als sehr problematisch.

Die neuen Schichten sind nun hervorragend lötbar und benötigen zur Haftung keine besondere Vorbereitung. Die Umwelt wird zudem wesentlich geschont. Kaltgasgespritzte Schichten sind aufgrund ihrer dichten Struktur eine echte Alternative zu umweltschädlichen Verfahren wie der wasserbelastenden Galvanotechnik oder der Verwendung von bleihaltigen Loten bei schwerlötbaren Werkstoffen. Mit der Anwendung der Kaltgasspritztechnologie ist es gelungen, völlig neue Wege, weg von der thermischen hin zur kinetischen Spritztechnik, zu gehen. Die geringe Erwärmung der Werkstoffoberfläche ermöglicht zudem das Beschichten wärmeempfindlicher Oberflächen.

Ausgangslage

Der russische Wissenschaftler Anatoli Papyrin war der erste, der Mitte der 80er Jahre bei Teilchen-Überschall-strömungs-Experimenten feststellte, dass sich ab einer bestimmten Geschwindigkeit die abtragende Wirkung der Teilchen in eine sehr starke Haftung umkehrt. Er entwickelte daraus das Kaltgasspritzen. Bislang wurde die bahnbrechende Technologie ausschließlich an technischen Hochschulen und in Forschungsinstituten zu deren Weiterentwicklung oder zu anwendungstechnischen Tests verwendet. Die Anwendungstechnik, weg von der thermischen hin zur kinetischen Energie beim Herstellen von Spritzschichten war in der Praxis ein ungenutztes Novum.

Das Besondere ist, dass der Schichtwerkstoff nicht mehr, wie bei den bisherigen thermischen Spritzverfahren, an- oder aufgeschmolzen wird. Allein die hohe kinetische Energie der Spritzpartikel bewirkt die Entstehung einer dichten Schicht oder Struktur auf dem Substrat. Dazu wird Stickstoffgas, beladen mit pulverförmigem Spritzwerkstoff, in einer Lavalschen Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf das Substrat geschleudert. Es stellte sich die Aufgabe, diese revolutionäre Beschichtungs-technologie in der Praxis, vor allem in serientauglichen Anwendungen mit bezahlbaren Schichten und zudem mit umweltfreundlichen Aspekten, einzusetzen.

Die Innovation

Mit einer intensiven und zielgerichteten Entwicklungs- und Forschungsarbeit zur Herstellung verwendbarer und bezahlbarer Schichten, gelang es uns relativ frühzeitig, die Vorteile und Nutzen kaltgasgespritzter Schichten in der Praxis anzuwenden und am Markt anzubieten. In einer fast 2-jährigen Entwicklungsarbeit konnten wir mit unterschiedlichsten Spritzparametern, unzähligen Spritzversuchen und Laborauswertungen hervorragende Schichteigenschaften an verschiedensten Kundenbauteilen erzielen. Unter anderem hat die OBZ in 2003 einen Aluminium-Kühlkörper, das erste kaltgasbeschichtete Serienprodukt, erfolgreich mit auf den Markt gebracht. So lassen sich auf Aluminium-Kühlkörpern Kupferschichten in so reiner, oxidarmer Form auftragen, dass diese bis zu 90 % der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer erreichen. Über 50 % der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von reinen Kupfer zu erzielen, galt bis vor kurzem in der Spritztechnik an Atmosphäre als unmöglich. Die neuen Schichten sind nun außerdem hervorragend lötbar und benötigen zur Haftung keine Vorbereitung durch Sandstrahlen. Damit sind ideale Voraussetzungen für den Einsatz in der Elektronikindustrie geschaffen. Am Beispiel des beschichteten Aluminium-Kühlkörpers für Computer zeigen sich die enormen Vorteile dieser kaltgasgespritzten Kupferschichten. Aluminium-Kühlkörper sorgen in jedem Computer dafür, dass der Prozessor nicht überhitzt. Moderne Hochleistungs-Prozessoren jedoch entwickeln so viel Wärme, dass die Leitfähigkeit des Aluminiums nicht ausreicht, um die entstehende Wärme schnell genug abzuführen. Eine hochwärmeleitende Kupferschicht mit aufgelöteter, massiver Kupferplatte löst das Problem. Das Verlöten von Aluminium und Kupfer war bisher sehr problematisch.

Mit einer im Kaltgasspritzverfahren aufgetragenen Zwischenschicht lassen sich verschiedenste Bauteile problemlos auf- oder anlöten. Hierbei können die zahlreichen Vorzüge von Aluminium, vom geringen Gewicht bis hin zur einfachen, preiswerten Verarbeitung, etwa durch Fließ- oder Profilpressen weiterhin genutzt werden. Mit der Herstellung elektrisch und thermisch leitender Schichten auf Kühlkörpern und Trägerelementen der Leistungselektronik wurden ideale Voraussetzungen für den Einsatz der Kaltgasspritztechnologie in der Elektronikindustrie geschaffen. Insbesondere die serientaugliche Anwendung dieses modernen Verfahrens an unterschiedlichsten Bauteilen zeichnet die innovative Leistung des Unternehmens OBZ aus. Mit dem professionellen Einsatz der Kaltgasspritztechnik sind somit völlig neue Produkte und Nischenmärkte möglich geworden. Eine besondere Eigenentwicklung von obz innovation gmbh befasst sich derzeit mit der Herstellung eines induktiven Kochgeschirrs, das ebenfalls im Kaltgasspritzverfahren beschichtet wird. Kaltgasgespritzte Schichten, z.B. aus den Schwermetallen Kupfer, Nickel oder Zink, können aufgrund ihrer dichten Struktur als Alternative zu den galvanisch hergestellten Schichten aus diesen Materialien eingesetzt werden. Damit wird der Einsatz von Wasser verunreinigenden Stoffen, wie dies in der Galvanik unvermeidlich ist, verhindert oder eingeschränkt. Darüber hinaus tragen kaltgasgespritzte Schichten dazu bei, bleihaltige Lote zu ersetzen, indem durch leicht lötbare Werkstoffe, z.B. Kupfer, aufgespritzt auf das zu lötende Bauteil, der Einsatz von bleifreien Loten überhaupt erst möglich wird.

Das Unternehmen

Das noch junge, im Jahre 1997 gegründete Unternehmen OBZ Dresel & Grasme GmbH zählt in Deutschland bereits heute zu den innovativsten Firmen im Bereich der Thermischen Spritztechnik. Seit Unternehmensgründung standen sämtliche Aktivitäten zur Herstellung thermisch gespritzter Schichten im Zeichen höchster Qualität, in der Anwendung neuester Technologien und der Schonung von Umwelt und Mensch. Mit Anwendung der revolutionären Beschichtungstechnologie, dem so genannten Kaltgasspritzen, ist es gelungen, das Verfahren als weltweit erster Lohnbeschichter industriell in Serie anzuwenden.

Mehrere Aufträge zur Entwicklung neuer Schichten an Kundenbauteilen sowie bereits realisierte Serienaufträge bestätigen den kommerziellen Erfolg der eingesetzten Technologie. Folgerichtung konnte die Mitarbeiterzahl von anfänglich 10 auf 15 gesteigert werden. Eine gesunde Risikobereitschaft in die Investition in modernste Verfahren und Techniken sowie in deren innovative Anwendung machen den Erfolg des Unternehmens aus.