Eigenschaften der neuen Sekundärschutzelemente von Dexerials: Bleifrei und umweltfreundlich

SCPs, die Sicherungselemente mit hochschmelzendem Lot verwenden

SCPs (Self Control Protectors) sind sekundäre Schutzsicherungen, die Sicherungselemente schmelzen und Stromkreise unterbrechen. Sie kommen zum Einsatz, wenn der primäre Schutz, der das Laden und Entladen von Lithium-Ionen-Batterien steuert, nicht ordnungsgemäß funktioniert und es zu Überstrom oder Überspannung kommt. Seit ihrer Einführung im Jahr 1994 werden SCPs von Dexerials häufig in Geräten mit Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, wie beispielsweise Laptops, Smartphones, Elektrowerkzeugen und Elektromotorrädern.

Die SCP, eine Sekundärschutz, greift ein, wenn die Lithium-Ionen-Batterie überladen oder mit Überstrom beaufschlagt wird und der Primärschutz aus irgendeinem Grund versagt. Die SCP enthält ein Sicherungselement und eine Heizung. Deren Temperatur steigt bei Strom- oder Spannungsanfall. Erreicht die Temperatur einen bestimmten Wert, schmilzt die Sicherung und der Stromkreis der Lithium-Ionen-Batterie wird unterbrochen. Dadurch werden Feuer und Hitzeentwicklung verhindert. Die SCP wurde erstmals 1992 entwickelt und besteht seitdem aus einer bleihaltigen Lötlegierung.

Mit Ausnahme einiger weniger Produkte werden die meisten SCPs mittels Reflow-Löten direkt auf einer Leiterplatte befestigt. Die in SCPs verwendeten Materialien müssen der Hitze des Reflow-Prozesses standhalten, und das interne Sicherungselement darf selbst bei 230–260 °C nicht schmelzen. Der Schmelzpunkt des Sicherungselements sollte jedoch knapp über der Hitzegrenze (260 °C) bei der Bauteilmontage liegen, da es bei Überladung schnell schmelzen muss. Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, verwenden SCPs ein hochschmelzendes Lot als Hauptbestandteil des Sicherungselements.

Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, war eine bleihaltige Legierung mit einem Schmelzpunkt von 296 °C gut geeignet.

Mit der Zeit wurde dieser „Vorsprung“ jedoch zu einem großen Problem. Hier bedarf es umfassender Innovationen.

„Bleifrei“ wird zum globalen Branchentrend

Die Herausforderungen lassen sich grob in zwei Bereiche unterteilen. Schauen wir uns jeden einzelnen genauer an.

Blei ist auf der Erde in großen Mengen vorhanden und schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur als andere Metalle, wodurch es preiswert und leicht zu verarbeiten ist. Daher wird Blei seit der Antike für verschiedene industrielle Zwecke verwendet. Es ist jedoch auch bekannt, dass es giftig ist und ein Gesundheitsrisiko darstellt, wenn es sich über die Nahrung und das Wasser im menschlichen Körper anreichert. Aus diesem Grund arbeiten viele Unternehmen in den letzten Jahren daran, den Bleiverbrauch zu reduzieren und auf bleifreie Produkte umzusteigen, um eine Bleiverschmutzung von Böden, Flüssen und Meeren zu verhindern.

Ausgenommen von der RoHS-Richtlinie, die die Verwendung gefährlicher Stoffe in Europa beschränkt, sind hochschmelzende Lote mit einem Bleigehalt von 85 % oder mehr sowie Glas, Keramik und Bleiverbundwerkstoffe, die in elektrischen und elektronischen Bauteilen verwendet werden. Aus diesem Grund unterlagen SCPs, die von unserem Unternehmen entwickelte bleihaltige Sicherungen verwenden, bislang keinen Vorschriften.

Allerdings ist damit zu rechnen, dass die Vorschriften zur Verwendung von Blei in Zukunft immer strenger werden und die Unternehmen zweifellos Anstrengungen unternehmen werden, um umweltfreundlichere Teile und Materialien zu beschaffen. Dies ist die erste Herausforderung. Als Reaktion auf diese veränderten Zeiten haben wir beschlossen, mit der Entwicklung „bleifreier“ Sicherungselemente zu beginnen.

Bleisicherungen behindern die Stromerhöhung von Batterien

Neben ihren negativen Auswirkungen auf die Umwelt stellten bleibasierte Sicherungen eine weitere große Herausforderung dar. Dies liegt daran, dass Blei Elektrizität nicht leicht weiterleitet, was bedeutet, dass es ein „Metall mit hohem Widerstand“ ist. Je höher der spezifische Widerstand eines Metalls ist, desto mehr Wärme erzeugt es, wenn Strom hindurchfließt. Eine Sicherung ist ein Bauteil, das funktioniert, indem es beim Durchfließen von Strom aufgrund der erzeugten Hitze schmilzt. Mit anderen Worten: Bleisicherungen erhitzen sich leicht und brennen bereits bei einer geringen Stromstärke durch.

Der Strom der Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektromotorrädern und anderen Geräten verwendet werden, wird immer größer, und die entsprechenden SCPs erfordern auch Sicherungen, die große Ströme verarbeiten können. Wenn man Sicherungen aus einem Material mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als Blei herstellen könnte, wäre es möglich, sowohl „Sicherungen herzustellen, die bei kleinerer Größe den gleichen Strom durchlassen wie bisher“ als auch „Sicherungen herzustellen, die bei gleicher Größe einen höheren Strom durchlassen wie bisher“. Mit anderen Worten ist es möglich, den SCP kleiner zu machen und einen höheren Strom zu erreichen.

Technologische Innovation durch die Kombination von Zinn- und Silberbeschichtung

Um die beiden oben genannten schwierigen Probleme zu lösen, nämlich die Sicherung bleifrei zu machen und den Widerstand zu reduzieren, haben wir ein Verfahren entwickelt, bei dem das Basismaterial der Sicherung aus einer Zinnlegierung mit einem Schmelzpunkt von 217 °C hergestellt und anschließend mit Silber beschichtet wird, dessen Schmelzpunkt bei 962 °C liegt.

Bei auf diese Weise hergestellten Sicherungen schmilzt das innere Zinn während des Reflow-Lötprozesses, die versilberte Beschichtung hält die Sicherung jedoch an ihrem Platz. Kommt es jedoch bei einem Lithium-Ionen-Akku zu einem Überstrom oder einer Überladung, erhitzt die Heizung die Sicherung auf über 400 °C. Nach einer gewissen Zeit schmilzt die Zinnlegierung im Inneren zu einem breiigen Schlamm, wodurch im Kontaktbereich mit der Silberbeschichtung auf der Oberfläche ein „Schmelzphänomen“ auftritt. Wenn festes Steinsalz in flüssiges Wasser getaucht wird, löst sich das Salz langsam im Wasser auf. Auf die gleiche Weise lösen sich die Kontaktoberflächen auf, wenn ein festes Metall (Silber) mit einem flüssigen Metall (Zinn) in Kontakt kommt.

Durch die Verwendung dieser Methode ist es möglich, Sicherungselemente bei einer Temperatur zu schmelzen, die viel niedriger ist als der Schmelzpunkt von Silber (962 °C), ein wichtiger Schritt in Richtung bleifreier SCPs.

Erschließung neuer Produktmöglichkeiten durch geringeren Widerstand

Versilberte Sicherungen sind bleifrei und erreichen ebenfalls einen niedrigen Widerstand. Der spezifische Widerstand von Blei liegt bei 21 μΩ・cm, während er bei Zinn nur 11 μΩ・cm beträgt und bei Silber sogar nur 1,6 μΩ・cm. Damit sind diese Metalle äußerst gut leitfähig. Durch die Kombination dieser Zinn- und Silberbeschichtung wird der spezifische Widerstand der gesamten Sicherung auf 7 μΩ cm erhöht. Dadurch kann etwa der dreifache Strom durchgelassen werden als bei herkömmlichen Sicherungen gleicher Größe.

Neben bleifreien Sicherungselementen hat Dexerials durch die Überprüfung der Materialzusammensetzung von Keramiksubstraten auch bleifreie SCPs entwickelt. Mithilfe dieser Technologien hat Dexerials erfolgreich SCPs entwickelt und patentiert, die mit Geräten kompatibel sind, die hohe Stromstärken und schnelles Laden benötigen, wie z. B. Smartphones, Drohnen und Elektrowerkzeuge.

Wir werden die Technologien und Kenntnisse, die wir angesammelt haben, auch weiterhin nutzen, um die Belastung der globalen Umwelt weiter zu verringern und Produkte zu entwickeln, die den Bedürfnissen der Gesellschaft gerecht werden.