In Dickschichttechnologie gedruckte Potentiometer

In Dickschichttechnologie gedruckte Potentiometer
Grossansicht Bild
Versuchsträger für flexibles Potentiometer. Das Potentiometer wurde mit Leitpolymer auf flexible PET-Folie gedruckt.
06.11.2012 | Gedruckte offene Potentiometer sind schon seit längerem im Focus der Entwickler. Mit den heutigen Möglichkeiten der Polymer-Dickschichttechnologie lassen sich inzwischen Lösungen darstellen, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren.

Drei technologische Ansätze werden im Folgenden näher beleuchtet:

  • In Dickschicht gedruckte offene Potentiometer als Stand-alone-Lösung
  • Aufbringen von Polymer-Widerstandsbahnen auf Leiterplatten
  • Biegsame offene Potentiometer auf radialen Oberflächen

Die Entwicklung von Leitpolymeren für den Widerstandsdruck begann 1965 mit dem amerikanischen Apollo-Raumfahrtprogramm. Bis dahin gab es nur Draht- oder Carbonpotentiometer. Gedruckte offene Potentiometer mit hoher Auflösung, langer Lebensdauer, großer Genauigkeit und guter Temperaturbeständigkeit aus ausgasungsfreiem Material waren nicht verfügbar. Dies ist heute anders. In Dickschicht gedruckte Widerstände werden heute im Weltraum genauso eingesetzt wie im Automobil oder in Spielzeugen. Es gibt hier aber deutliche Qualitätsunterschiede.

Die nachfolgend beschriebenen technologischen Ansätze basieren auf Pastenentwicklungen der Hoffmann + Krippner GmbH. Zentrale Eigenschaften von gedruckten Widerständen aus den neuen Polymerpasten sind eine gute Linearität sowie – in Verbindung mit einem tripologisch gepaarten Schleifer – eine lange Lebensdauer. Durch einen 'Lotusblüteneffekt' der Oberfläche wird zudem ein hoher Schutz gegen Umwelteinflüsse erreicht.

Gedruckte offene Potentiometer als Stand-alone-Lösung

Gedruckte offene Potentiometer als Stand-alone-Lösung
Radiale Potentiometer im Leiterplattennutzen gedruckt

Gedruckte offene Potentiometer werden bislang überwiegend als Stand-alone-Lösung eingesetzt. Das heißt, die Potentiometerbahn wird auf Keramik, Leiterplattenmaterial, Kaptonfolie oder – seltener – auf andere Materialien gedruckt.

Als Abgriff wird ein spezifischer (Form, Material) Schleifer verwendet. Wenn der Anwender die Interaktion zwischen dem potentiometrischen Sensor und dem dynamischen Kontakt (Schleifer) beherrscht, führt das zu hervorragenden Ergebnissen:

  • Signalverstärkung = 1$
  • Passives System ohne EMV-Probleme
  • Nur zwei Komponenten zur Signaltransformation erforderlich: gedruckte Potentiometerbahn auf Träger (z. B. FR4 oder Folie) und leitfähiger Schleifer.
  • Quasi verschleißfrei bei richtiger tripologischer Paarung der Polymerschicht mit dem Schleifer.

Vom Anwender sollte eine professionelle Beratung für seine spezifische Applikation eingefordert werden.

Ein optimales Ergebnis kann nur erzielt werden, wenn der Schleifer der Dickschicht-Polymerpaste angepasst wird.
 

Aufbringen von Polymer-Widerstandsbahnen auf Leiterplatten

Bislang wurde bei der Kombination von offenen gedruckten Potentiometern mit Leiterplatten wie folgt verfahren: Ein auf ein separates Trägermaterial gedrucktes Potentiometer wurde nach dem Bestückungsprozess der Leiterplatte auf dieser befestigt. Mit der heutigen Generation von Dickschichtpasten kann dieser Prozess wesentlich vereinfacht werden. Die Potentiometerbahn wird dabei vor dem Bestücken direkt auf die zu bestückende Leiterplatte aufgedruckt. Anschließend wird diese Leiterplatte bestückt, wobei ein mehrmaliges Durchlaufen des Lötprozesses (Reflow- oder Wellenlöten) möglich ist. Ansonsten gelten hier die gleichen Eigenschaften wie bei gedruckten Potentiometern – nur das durch die reduzierten Prozessschritte nicht nur der Preis, sondern auch die Fehlerbetrachtung günstiger wird.

Biegsame Potentiometer auf radialen Oberflächen

Biegsame Potentiometer auf radialen Oberflächen
Leitpolymer auf Leiterplatte, beidseitig bedruckt als Widerstandspotentiometer und als Potentiometer in Mäanderstruktur.

Für Anwendungen auf radialen Oberflächen werden üblicherweise PEToder Kaptonfolien eingesetzt. Darauf gedruckte Potentiometer haben folgende technologisch bedingte Nachteile:

  • Basismaterial PET – Niedertemperaturfolien wie PET (Polyethylenterephthalat) werden mit lufttrocknendem Leitsilber und Carbon bedruckt. Diese Materialien sind nicht abriebfest und nicht beständig gegenüber Lösungsmitteln, ölen etc. Bei gedichteten Potentiometern wie z. B. SENSOFOIL® Folienpotentiometern ist dies kein Problem, wohl aber bei offenen Systemen.
     
  • Basismaterial Kapton® – Kaptonfolien (Polyimide der Fa. DuPont) sind deutlich teurer, dafür hitzebeständiger als PET. Somit können Dickschichtpasten aufgedruckt werden, die bei Temperaturen > 200 °C polymerisiert (vernetzt) werden. Dadurch wird eine hohe Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegenüber aggressiven Substanzen erzielt. Das teure Kapton® wird hier nur wegen des unter hohen Temperaturen ablaufenden Härtungsprozesses benötigt, die erforderlichen Einsatztemperaturen des Potentiometers liegen meist weit darunter.

Die Sensor-Gruppe der Hoffmann + Krippner GmbH hat nun eine Pastenrezeptur entwickelt und in der Erprobung, die es erlaubt, abriebfeste und chemisch beständige Widerstandsbahnen auf preiswertes PET zu drucken. Dazu wurde eine bewährte Dickschichtpaste so modifiziert, dass sie auf einem Temperaturniveau, das die preisgünstigere PET-Folie aushält, vollkommen vernetzt und aushärtet. In Bezug auf Abriebfestigkeit und chemische Beständigkeit ist dieses System dem mit Leitpolymer auf Leiterplatte vergleichbar. Mit dieser neuen Potentiometervariante eröffnen sich interessante Einsatzmöglichkeiten. Die Folie lässt sich z. B. auf gebogene Oberflächen aufbringen, wie in obenstehendem Bild gezeigt.
 

Schleifertechnologie

In den vorstehenden Ausführungen wurde mehrfach darauf hingewiesen, dass in potentiometrischen Anwendungen das Zusammenspiel zwischen Widerstandsbahn und Schleifer wichtig ist. Zur Verdeutlichung seien hier die beiden grundsätzlichen Varianten bei gedruckten Potentiometern kurz umrissen:

  • Geschlossene gedruckte Potentiometer mit integriertem Schleifer, z. B. SENSOFOIL® Folienpotentiometer: Hier wird eine an der Innenseite mit einem Abgriff bedruckte Kollektorfolie über die Folie mit der Widerstandsbahn geklebt. Beide Folienschichten sind durch einen rahmenartigen Abstandshalter voneinander getrennt. Ein nichtleitendes Druckstück drückt die Kollektorfolie an einem Punkt auf die Widerstandsbahn und übernimmt so die Aufgabe eines Schleifers.
     
  • Offene, auf FR4 oder Folie gedruckte Potentiometer: Hierfür wird ein leitfähiger Schleifer benötigt. Die Auslegung des Schleifers ist abhängig von der Anwendung, dem verwendeten Widerstandsmaterial und dem Design. Häufig wird der sogenannte Kellenschleifer verwendet, dieser wird aber zunehmend durch den sogenannten Kratzschleifer ersetzt

Bewertung Ø:
   
Meine Bewertung:

Fragen und Kommentare (0)