Die SCP-Geschichte: Wie sich das sekundäre Schutzelement von Dexerials zusammen mit elektronischen Geräten entwickelte

Die Entwicklung des sekundären Schutzelements (SCP)

Ein Selbstkontrollschutz (SCP) ist eine sekundäre Schutzsicherung, die Stromkreise abschaltet, wenn eine Überladung oder ein Überstrom im Lade-/Entladekreis einer Lithium-Ionen-Batterie auftritt. Sie wurden exklusiv von Dexerials entwickelt und wurden in mehr als 2 Milliarden elektronischen Geräten installiert.

Über die Hintergründe der Entstehung von SCP und die Zukunftsaussichten sprachen wir mit dem Entwicklungsleiter des Geschäftsbereichs Connecting Materials, der die Entwicklung von Anfang an begleitet hat.

--Wann haben Sie zum ersten Mal an der SCP-Entwicklung mitgewirkt?

Die Entwicklung von SCP begann 1991. Damals begann die Massenproduktion von Lithium-Ionen-Batterien gerade erst, und PTC-Thermistoren (Positive Temperature Coefficient) wurden als Schutzsicherung für Lade- und Entladekreise eingesetzt. Der PTC-Thermistor war von einem anderen Unternehmen patentiert und ein teures Bauteil. Deshalb baten unsere Kunden Dexerials, ein Ersatzprodukt zu entwickeln.

Sicherungen anderer Hersteller verfügten über ein System, das bei hohen Temperaturen den Widerstand erhöhte und den Stromfluss unterbrach. Sobald die Temperatur jedoch sinkt, wird der Stromfluss wieder aufgenommen. Da in Lithium-Ionen-Batterien brennbare Materialien verwendet werden, ist es sicherer, ein Produkt, bei dem Probleme aufgetreten sind, zu deaktivieren. Daher haben wir uns entschieden, eine Sicherung zu entwickeln, die den Stromkreis bei Überladung oder Überstrom vollständig abschaltet und so die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöht.

--Die fortschrittlichen technologischen Fähigkeiten von Dexerials sind in Form von SCP zum Tragen gekommen.

Natürlich gab es danach noch einige Versuche und Irrtümer. Die ersten von uns entwickelten Komponenten waren nicht wie heute oberflächenmontiert, sondern hatten eine Struktur, bei der Heizmaterial auf eine flexible Leiterplatte (FPC) gedruckt und die Sicherung eingepresst war. Da FPCs flexibel und biegsam sind, wurden sie durch Handlöten und nicht durch Oberflächenmontage verbunden. Dann erhielten wir von unserem Kunden die Anfrage nach einem Produkt, das mit einer automatischen Maschine montiert werden kann, und ein Jahr später entwickelten und brachten wir ein Produkt auf den Markt, das mit den aktuellen automatischen Montagemaschinen montiert werden kann.

Von Laptops bis zu Smartphones und bleifreien Sekundärschutzelementen (SCP)

Welche Verbesserungen wurden seitdem vorgenommen?

SCP kam erstmals 1994 auf den Markt, wurde jedoch hauptsächlich auf Laptops verwendet. Da die Unternehmen die Leistung ihrer Laptops kontinuierlich verbesserten, stieg der Stromverbrauch der CPU und man forderte zunehmend einen geringeren Widerstand des SCP, damit dieser größeren Strömen standhalten konnte.

Ursprünglich wurde SCP so konzipiert, dass es einen Schaltkreis am Rand des Keramiksubstrats bildet, um die elektrische Kontinuität zwischen Vorder- und Rückseite sicherzustellen. Dies bedeutete jedoch, dass die Verdrahtung an der kurzen Seite dünner war, was zwangsläufig zu einem höheren Widerstand führte. Um dieses Problem zu lösen, bohrten wir Löcher in die Platine und füllten sie mit Metall, um den leitfähigen Querschnitt im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zu vergrößern und gleichzeitig den Widerstand zu senken, indem wir Vorder- und Rückseite auf dem kürzesten Weg verbanden.

SCPs werden zunehmend in Smartphones eingesetzt

Insbesondere angesichts der zunehmenden Verbreitung von Smartphones mit Schnellladefunktion entwickeln wir neue SCP-Produkte, um diesem Trend gerecht zu werden. Für ein schnelles Laden eines Akkus sind hohe Ströme erforderlich. SCPs müssen nun einen noch geringeren Widerstand aufweisen als herkömmliche Produkte.

Smartphones werden zudem immer dünner und multifunktionaler, sodass die Größe des SCP selbst nicht verändert werden kann. Daher mussten wir die widersprüchlichen Anforderungen sowohl an geringe Widerstandsfähigkeit als auch an Miniaturisierung der SCPs erfüllen – eine ziemlich schwierige Aufgabe.

Wie um alles in der Welt haben Sie diese schwierige Herausforderung gemeistert?

Herkömmlicherweise wurden Sicherungselemente aus Lötlegierungen hergestellt, dieses Problem wurde jedoch durch die Verwendung einer Zinnlegierung mit Silberbeschichtung gelöst. Wie in diesem Artikel ausführlicher erläutert, ist Silber ein Material, das Elektrizität gut leitet, sodass es etwa dreimal so viel Strom durchlassen kann wie herkömmliche Produkte gleicher Größe. Darüber hinaus ist es durch die Verwendung einer Zinn-basierten Legierung im Inneren möglich, die Sicherung im gleichen Temperaturbereich zu schmelzen wie Löt-basierte Legierungen.

Darüber hinaus ist es durch den Einsatz dieser Technologie möglich, bleifreie Sicherungselemente herzustellen, was mit lötbasierten Legierungen bisher schwierig zu erreichen war, was für die Kunden einen großen Vorteil darstellt. Ab 2021 werden Lote mit hohem Schmelzpunkt nicht mehr durch die RoHS-Richtlinie der EU geregelt, die gefährliche Stoffe in Materialien für elektronische Geräte regelt. Aufgrund des weltweit wachsenden Umweltbewusstseins besteht jedoch die Möglichkeit, dass bleihaltiges Lötmittel in Zukunft Beschränkungen unterliegen könnte. Sollte dies geschehen, glauben wir, dass die Nachfrage nach dem von uns entwickelten „bleifreien, niederohmigen SCP“ dramatisch steigen wird.

Die steigende Nachfrage nach sekundären Schutzelementen (SCP) aufgrund der Pandemie

Die Pandemie hatte enorme Auswirkungen auf die Arbeit und das tägliche Leben der Menschen. Als Reaktion auf die steigende Nachfrage nach SCPs entwickelt Dexerials neue Technologien für das kommende Zeitalter der Elektrofahrzeuge (EV).

--Bitte erzählen Sie uns von SCPs zukünftigen Marktentwicklungen.

Aufgrund der aktuellen COVID-19-Pandemie sind Fernarbeit und Online-Lernen auf der ganzen Welt üblicher geworden, was zu einem Anstieg der Nachfrage nach Laptops und Tablet-PCs geführt hat. Unsere oberste Priorität besteht darin, auf diesen steigenden Bedarf angemessen zu reagieren. Da die Menschen aufgrund der Ausgangssperre mehr Zeit zu Hause verbringen, steigen außerdem die Verkäufe von Reinigungsprodukten und Elektrowerkzeugen für Heimwerker. Außerdem nutzen immer mehr Menschen Elektromotorräder und E-Bikes, um überfüllten Zügen aus dem Weg zu gehen.

Diese elektronischen Geräte des Antriebssystems sind mit SCPs ausgestattet, die große Kapazitäten und Stromstärken bewältigen können. Im Hinblick auf den in naher Zukunft unvermeidlichen Umstieg von benzinbetriebenen Fahrzeugen auf Elektrofahrzeuge (EVs) entwickeln wir jedoch auch SCPs, die für den Umgang mit Elektrofahrzeugen geeignet sind.

--Welche Voraussetzungen müssen für die Installation des SCP in einem Elektrofahrzeug erfüllt sein?

Der größte Unterschied zwischen Lithium-Ionen-Akkupacks in Elektrofahrzeugen und elektronischen Geräten besteht darin, dass sie Spannungen von bis zu 400 V bis 1.000 V Gleichstrom erzeugen. Bei solch hohen Spannungen kommt es zu einer Lichtbogenentladung, bei der Strom durch die Luft entladen und blitzartig übertragen wird, selbst nachdem der Stromkreis durch eine Sicherung unterbrochen wurde. Aus diesem Grund sind ein anderer Ansatz und eine andere Struktur als bei herkömmlichen SCPs erforderlich.

Je höher die Spannung, desto schwieriger ist es, einen Stromkreis zu unterbrechen. Ohne eine zuverlässige Methode zur Gewährleistung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sind Passagiere und Einsatzkräfte im Falle eines Unfalls gefährdet. Es besteht kein Zweifel, dass der Bedarf an Elektrofahrzeugen mit SCPs weltweit steigen wird. Wir setzen alles daran, solche Produkte zu verbessern und weiterzuentwickeln.