Goldkontakte mit dem Laser aufbringen
Durch Laseraufschweißen können Fraunhofer-Forscher 90 Prozent Gold einsparen, ohne dass ihre Schalter Zuverlässigkeit einbüßen.
Ob im Laptop, im Handy oder im Auto – wer langlebige Tasten sucht, legt Wert auf Goldkontakte. Bislang werden diese meist galvanisch aufgebracht. In einem neuen laserbasierten Verfahren werden statt der Schichten Goldpunkte aufgeschweißt. Das geht schnell und kann den Goldverbrauch um bis zu 90 Prozent verringern.
Abb.: Mikrogoldpunkte auf Edelstahl. (Bild: Fraunhofer ILT)
Am Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ist die Methode entwickelt worden, um Zuverlässigkeit und günstige Produktion von Tasten zu gewährleisten. Die Forscher am Fraunhofer ILT haben dabei in dem vom BMBF geförderten Projekt Mifulas-2 in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Inovan ihre Erfahrungen im Laserauftragschweißen genutzt, um galvanische Goldschichten auf so genannten Schnappscheiben durch kleine geschweißte Goldpunkte zu ersetzen.
Die Schnappscheiben sind kleine Kontaktfedern, die für das elektrische Schalten und die taktile Rückmeldung bei diversen Tastaturbauformen sorgen. Sie bestehen meist aus einem hochwertigen Federstahl, der vergoldet oder auf andere Weise kontaktveredelt wird. Gold bietet dabei nicht nur einen niedrigen Kontaktwiderstand, sondern auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit.
Mit der neuen Methode werden anstelle der großen Goldflächen nur noch kleine Kontaktpunkte mit einem Faserlaser aufgeschweißt. Dessen Strahldurchmesser von weniger als 100 Mikrometern und ein Goldpulver mit Korndurchmessern unter 10 Mikrometern machen Kontaktpunkte mit weniger als 100 Mikrometern Durchmesser und Höhe möglich. Bei diesem Mikro-Laserauftragschweißen wird das pulverförmige Zusatzmaterial mit einer Düse in die Wechselwirkungszone von Laser und Substratmaterial (z. B. Edelstahl, Nickellegierung) eingebracht. Die Laserenergie schmilzt sowohl eine dünne Randschicht des Substrats als auch das Goldpulver auf, so dass ein Goldkontaktpunkt entsteht. Dieser Kontakt ist schmelzmetallurgisch mit dem Substrat verbunden.
Abb.: Goldkontaktpunkte auf einer Schnappscheibe. (Bild: Inovan)
Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens besteht in der Materialeffizienz. Schon fünf selektiv aufgeschweißte Gold-kontaktpunkte können die flächige Goldbeschichtung an Schnappscheiben ersetzen. Erste Berechnungen ergeben Materialeinsparungen bei der Goldbeschichtung von 50 bis zu 90 Prozent.
Die Lebensdauer der Schalter wird dabei nicht messbar beeinflusst, wie erste Tests mit 100.000 Schaltvorgängen nachwiesen. Auch die elektrischen Eigenschaften dieser Goldpunkte entsprechen denen der galvanischen Beschichtung.
Darüber hinaus ermöglicht das laserbasierte Verfahren eine Integration der Goldkontaktierung direkt in die Fertigung des Schaltelements. Das ermöglicht sowohl die Bearbeitung von Rollenware als auch die effiziente Fertigung von Kleinserien oder Prototypen. Das Aufschweißen eines Punkts dauert etwa 50 Millisekunden. Zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit laufen derzeit weitere Untersuchungen. Durch eine Aufteilung des Laserstrahls sollen zukünftig 20 Kontakte simultan aufgeschweißt werden können.
Das Verfahren zum Laserauftragschweißen von Kontakten aus Edelmetallwerkstoffen ist grundsätzlich für alle metallischen Bauteile geeignet, die derzeit galvanisch kontaktiert werden. Beispiele sind nicht nur Schaltelemente für Handys, sondern auch Bipolarplatten für Brennstoffzellen.
Fh.-ILT / PH
