Kupfer | Elektrisch und thermisch leitfähig

Kupfer ist ein großartiger Werkstoff für die Industrie und das Baugewerbe. Der Werkstoff ist bekannt für seine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit. In der Bauindustrie wird Kupfer wegen seiner Langlebigkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt, während es in der Industrie für elektrische Verkabelungen und Komponenten unverzichtbar ist. Seine Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit machen Kupfer zu einem unverzichtbaren Material in zahlreichen technischen Anwendungen.

Inhalt

• Effizientes Material für nächste Leistungselektronik Generation
• Kupfer als unendlich recycelbar für nachhaltiges Bauen
• Drähte aus Kupferbasislegierung mit guter elektrischer Leitfähigkeit

Effizientes Material für nächste Leistungselektronik Generation

20.10.2020 | Heraeus Electronics stellt ein neues Material für die nächste Generation der Leistungselektronik vor. Die Produktfamilie Powercusoft wird um ein Kupfer Bondbändchen erweitert. Mit ihm lassen sich Leistungsmodule zuverlässiger, wirkungsvoller und kostengünstiger designen und herstellen.

Powercusoft Ribbon wurde für die Oberflächenkontaktierung von Leistungshalbleitern mit breitem Bandabstand, sogenannten Wide Bandgap Semiconductors, auf Basis von Siliziumkarbid SiC optimiert. Mit dieser Bondbändchen Generation kann das volle Potential der neuen SiC Chips ausgeschöpft werden.

Leistungselektronik mit Kupfer versus Aluminium

Kupfer bietet bessere thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften als es Aluminiumdrähte und Aluminiumbändchen vorweisen. Kupfer erwärmt sich weniger als Aluminium und kann höhere Temperaturen der Leistungselektronik aushalten.

Das verlängert die Lebensdauer und verbessert die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik. Das neue Kupfermaterial hält Temperaturen von bis zu 250 °C stand. Gegenüber Aluminium haben Kupferbändchen in Tests zehn bis zwanzig Mal länger durchgehalten – und zwar bei zeitgleich erhöhter Energiedichte im Modul.

„SiC Halbleiter sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte auf der Überholspur“ sagt Christian Kersting, Product Manager Power Bonding Wires bei Heraeus Electronics. „Um die Vorteile dieser Produkte nutzen zu können, brauchen Modulhersteller leistungsstarke Aufbau- und Verbindungstechniken.“

Im Vergleich zu Kupferdrähten sind Bändchen kostengünstiger, weil ein Band mehrere Kupferdrähte ersetzt. Hersteller können bei steigendem Output die Herstellungskosten pro Modul optimieren. Je nach Moduldesign lassen sich sogar doppelt so viele Module pro Stunde produzieren.

Kupfer als unendlich recycelbar für nachhaltiges Bauen

20.01.2020 | Kupfer ist ein effizientes Material, wenn Bauplaner nach einem nachhaltigen Werkstoff suchen. Wichtige Änderungen der europäischen Umweltzertifizierung würdigen nun lt. Deutschen Kupferinstitut den Beitrag, den Kupfer zur Kreislaufwirtschaft leisten kann. Die im Oktober 2019 veröffentlichten Änderungen der Norm EN 15804 enthalten Kernregeln für Produktkategorien (PCR) für Typ-III-Umwelterklärungen für jedes Bauprodukt und jede Bauleistung.

Die Norm beschreibt, welche Phasen im Produktlebenszyklus in der EPD (Environmental Product Declaration) berücksichtigt werden. Es ist nun obligatorisch, das Ende der Produkt-Lebensdauer zu berücksichtigen und die zusätzlichen Vorteile und Belastungen zu melden, die sich aus der Wiederverwendung oder dem Recycling von End-of-Life-Produkten ergeben.

Diese Modifizierung der Norm wird dazu beitragen, die Umweltverträglichkeit von Kupfer und anderen Metallen am Ende ihrer Lebensdauer stärker im Markt zu verankern und sie als nachhaltige Lösungen für Bau Anwendungen zu positionieren.

Recyclingchampion Kupfer unschlagbar

Die Norm verwendet einen modularen Ansatz für die Phasen im Produkt-Lebenszyklus.

• Produktion (Modul A)
• im Einsatz (Modul B)
• End-of-Life Phase (Modul C) 
• End-of-Life Recycling (Modul D)

In der neuen Norm gibt das obligatorische Modul D einen Überblick über die Recyclingleistung und den Nutzen für den gesamten Produktlebenszyklus. Daher ist das Modul ein Schlüsselelement zur Unterstützung einer umweltverträglichen Kreislaufwirtschaft im Bausektor.

Kupfer besitzt eine unendliche Lebensdauer. Dieses erneuerbare Metall lässt sich ohne Verlust seiner Eigenschaften wieder und wieder recyceln. Das Kupfer Recycling spart erhebliche abiotische Ressourcen und enorme Energiemengen. Kupfer benötigt 85 % weniger Energie als die Primärproduktion. Mit dem derzeitigen Fokus auf Ressourcen Effizienz und Kreislaufwirtschaft müssen Recyclingaspekte in der Umwelt-Produktdeklaration (EPD) berücksichtigt werden.

Kupfer bleibt Werkstoff erster Wahl

Die überarbeitete Norm enthält viele Verbesserungen und bedeutende Änderungen für die Arbeitsweisen mit EPDs als wichtigen nächsten Schritt. Damit wird der Einsatz von recyclingfähigen Baumaterialien von Metallen wie Zinn, Zink, Messing, Eisen, Bronze, Aluminium, Silber oder Legierungen gefördert. Die Auswirkungen und Vorteile des Recyclings und der Rückgewinnung oder Wiederverwendung von Baumaterialien sind berücksichtigt. Kupfer bleibt dabei als nachhaltiger und vorbildhaft recyclingfähiges Metall für viele Einsatzbereiche der Werkstoff der ersten Wahl.

Drähte aus Kupferbasislegierung mit guter elektrischer Leitfähigkeit

22.03.2016 | Für bestimmte Aufgaben werden Drähte mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und gleichzeitig hohen Festigkeitseigenschaften benötigt. Drähte aus reinem Kupfer, dem besten aller industriell genutzten Stromleiter, eignen sich dafür in der Regel nicht, weil deren mechanische Festigkeit zu niedrig ist. Ideal sind dahingegen Drähte aus „ISA-CON“ von Isabellenhütte, welches beide Eigenschaften optimal miteinander kombiniert.

Die Markenbezeichnung ISA-CON steht für Kupferbasislegierungen, die in Form von Drähten gefertigt wird. Im Mittelpunkt des Produktionsprogrammes stehen derzeit die Werkstofftypen ISA-CON414 und ISA-CON1000. Die Bezeichnungen setzen sich aus dem Markennamen und der Mindestzugfestigkeit in MPa* zusammen.

Beide Legierungen haben eine deutlich höhere Zugfestigkeit als Kupfer mit 200 MPa, wobei die Zugfestigkeit der Drähte aus ISA-CON1000 sogar noch deutlich über der von Drähten aus dem kupferummanteltem Edelstahl “Staku” liegt, die etwa 700 MPa beträgt. Die andere wichtige Eigenschaft ist die elektrische Leitfähigkeit: Sie beträgt bei reinem Kupfer 58 x 10⁶ S/m, was mit 100% IACS (International Annealed Copper Standard) gleichgesetzt wird. Der Werkstoff ISA-CON 414 kommt mit 90 % IACS im geglühten Zustand sehr nahe an Kupfer heran, und auch der hochfeste Werkstoff ISA-CON1000 bewegt sich mit 60 % IACS deutlich über den weitverbreiteten Staku-Drähten mit 40 % IACS.

ISA-CON414 ist ein RoHS-konformer Werkstoff, der ähnliche, aber Kadmium-haltige Werkstoffe ersetzen kann. Er erfüllt die Vorgaben der Norm ASTM B624 („Standard Specification for High-Strength, High-Conductivity Copper-Alloy Wire for Electronic Application“). Der hochfeste Werkstoff ISA-CON1000 enthält die Legierungselemente Silber und Zirkon.

Drähte aus beiden Werkstoffen können hohe Zugbelastungen elastisch abfangen, haben eine hohe Härte, sind korrosionsbeständig und behalten ihre Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen über lange Einsatzzeiten. Vorteilhaft für bestimmte Aufgaben ist auch, dass die Drähte mit Nickel, Zinn oder Silber beschichtet werden können.

Drähte aus ISA-CON werden in Form von Runddraht und Litzen mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,3 mm geliefert. Drähte aus ISA-CON414 gibt es außerdem als Vorziehdraht mit 0,80 bis 1,20 mm. Typische Anwendungsgebiete sind Signal- und Oberleitungen für Eisenbahnen sowie Automobilkabel. Unter dem Zwang, Platz und Gewicht einzusparen, verlangt u. a. die Automobilindustrie Leiterdrähte mit möglichst kleinem Durchmesser, die aber gleichzeitig immer höhere Anforderungen bzgl. Belastbarkeit und geforderten Standzeiten zuverlässig erfüllen müssen. Dasselbe gilt für die ebenfalls aus Draht hergestellten Kontaktelemente für Stecker und Schalter.

Quellenangabe: Dieser Beitrag basiert auf Informationen folgender Unternehmen: Deutsches Kupferinstitut, Heraeus, Isabellenhütte.