Mikro- und Nanostrukturierung Effizienz und Nachhaltigkeit in der Steckverbinderproduktion

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Direct Laser Interference Patterning ermöglicht die berührungslose Mikro- und Nanostrukturierung industrieller Oberflächen. Damit sind auch neue Freiheitsgrade für die Auslegung von Steckverbindern, Werkzeugen und Prozessflächen möglich.

Elektrische Steckverbinder sind Schlüsselkomponenten für Mobilität, Elektronik, Energietechnik und Rechenzentren. Miniaturisierung, höhere Ströme, steigende Datenraten und automatisierte Montageprozesse erhöhen die Anforderungen, während klassische Zielgrößen unverändert kritisch bleiben: niedrige Steckkräfte, definierte Auszugskräfte, geringer und langfristig stabiler Kontaktwiderstand, hohe Zyklenfestigkeit sowie sichere Abdichtung und Umspritzbarkeit.

Daraus entstehen Zielkonflikte: Eine höhere Normalkraft verbessert die Kontaktsicherheit, erhöht aber Steck- und Ziehkräfte sowie Verschleiß. Dünnere Edelmetall- oder Zinnschichten reduzieren Kosten, können jedoch Fretting- und Alterungsverhalten verschlechtern. Der Verzicht auf Schmierstoffe oder PFAS-/PTFE-basierte Hilfsstoffe verbessert regulatorische und ökologische Aspekte, verlangt aber alternative Mechanismen zur Reibungs- und Verschleißkontrolle.

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In vielen Anwendungen wird die verfügbare konstruktive Reserve kleiner. Gleichzeitig steigt der Druck, Edelmetall- und Schmierstoffeinsatz zu reduzieren und PTFE-/PFAS-basierte Hilfsstoffe zu ersetzen. Damit wird die Oberfläche selbst zu einem aktiven Designparameter. Nicht nur Grundwerkstoff und Beschichtung, sondern auch die Topografie entscheidet über reale Kontaktfläche, Schmierstoffverteilung, Verschleißmechanismen und Benetzungsverhalten.

Die industrielle Herausforderung besteht darin, solche Topografien reproduzierbar, selektiv und inlinefähig herzustellen. Für Steckverbinder ist entscheidend, ob ein Strukturierungsprozess in bestehende Band-, Stanz-, Beschichtungs- oder Montageprozesse integriert werden kann und ob sich der Nutzen über definierte Prüfprogramme qualifizieren lässt.

Direct Laser Interference Patterning: Wirkprinzip und ELIPSYS-Plattform

Beim Direct Laser Interference Patterning (kurz DLIP) werden kohärente Teilstrahlen gezielt überlagert. Das entstehende Interferenzmuster erzeugt lokale Intensitätsmaxima und -minima, durch die periodische Mikro- und Nanostrukturen direkt in oder auf einer Oberfläche entstehen [1,2]. Die Bearbeitung erfolgt ohne mechanischen Kontakt und kann lokal auf Funktionszonen begrenzt werden.

Die Technologieplattform ELIPSYS überführt dieses Prinzip in industrielle Anlagenkonzepte. Somit werden hohe Materialfreiheit, ein breites Spektrum an Endproduktfunktionalitäten, automatisierbare Prozessführung, reproduzierbare Präzision und der Einsatz etablierter „Standard“-Laserquellen [8] als zentrale Industrialisierungsmerkmale möglich [1, 2]. Für Steckverbinder bedeutet dies: Oberflächenfunktionen können dort eingebracht werden, wo sie für Montage, Betrieb oder Lebensdauer tatsächlich relevant sind.

Für die Steckverbinderproduktion ist DLIP vor allem dort interessant, wo Oberflächenfunktionen unmittelbar messbare Effekte auf Montage, elektrische Performance, Werkzeugstand-zeit oder Prozessstabilität haben. Die folgenden drei ausgewählten Anwendungsebenen sind daher besonders relevant und werden im Beitrag bewusst anwendungsnah eingeordnet.

Tribologische und elektrische Kennwerte von DLIP-Strukturen

Kontaktflächen müssen gleichzeitig tribologisch und elektrisch funktionieren. DLIP-Strukturen können Mikrokanäle oder Plateau-Strukturen erzeugen, die Reibung, Schmierstoffverteilung und Verschleiß beeinflussen, ohne die leitfähige Kontaktbildung grundsätzlich zu verhindern. Für Steckverbinderanwendungen sind damit bis zu 60 % reduzierte Steckkräfte und bis zu 80 % reduzierten Kontaktwiderstand als Ziel- bzw. Referenzwerte möglich [3-7,12]. Diese Werte sind jedoch nicht als universelle Eigenschaft der Technologie zu verstehen, sondern hängen von Kontaktgeometrie, Normalkraft, Beschichtung, Gegenkörper und Prüfkollektiv ab.

Für die Auslegung ist daher nicht die Mikrostruktur allein entscheidend. Erst das Zusammenspiel von Strukturperiode, Strukturamplitude, Beschichtungssystem und realem Kontaktzustand bestimmt, ob die Topografie stabil wirkt oder im Betrieb plastisch eingeebnet wird. Besonders für Sn/Sn- und Ag/Ag-Systeme sowie für PFAS-freie Schmierstoffkonzepte ist dieser Punkt relevant.

Auch die Werkzeuge in der Steckverbinderherstellung bieten großes Potential in Bezug auf die Verbesserung tribologischer Eigenschaften. Bei Stanz-, Biege- und Umformwerkzeugen liegt der Nutzen einer Funktionalisierung mittels DLIP nicht in einem besseren Kontaktwi­derstand, sondern in reduzierter Reibung, geringerem adhäsivem Verschleiß und stabileren Prozessbedingungen. Besonders relevant ist hier xDLIP, also die Kombination aus topografischer Funktionalisierung und passender Dünnschichttechnologie. Die Topografie kann z.B. gezielt vor der Beschichtung erzeugt werden, um Schichthaftung, Schichtlebensdauer und gerichtetes Wachstum zu beeinflussen, oder nach der Beschichtung zur funktionalen Nachstrukturierung eingesetzt werden [9,10].

Eine gezeigte Referenzanwendung bei Schröder+Bauer für Stanzwerkzeuge vergleicht ein konventionell beschichtetes Werkzeug nach 1 Mio. Hüben mit einem Werkzeug aus DLIP plus proprietärer Beschichtung (xDLIP) nach 12 Mio. Hüben. Klare Verbesserung durch minimalen Mantelverschleiß und Einordnung mit bis zu zwölffach höherer Standzeit [10]. Für Stanzer ist dieser Nachweis besonders relevant, weil längere Standzeiten unmittelbar auf Kostenreduzierung, Wartungsintervalle, Werkzeugwechsel, Ausschuss und Anlagenverfügbarkeit wirken.

Neben der Kontaktzone können auch Füge-, Dicht- und Umspritzflächen funktionalisiert werden. Strukturierte Oberflächen können dabei u.a. Benetzung, mechanische Verklammerung und Grenzflächenhaftung beeinflussen. Beispiele sind Umspritzbereiche von Metall-Kunststoff-Verbunden, Potting- und Sealing-Prozesse, Pressfit-Anwendungen oder die gezielte Steuerung des Lotflusses auf Leadframes und Kontaktplatten [9,10].

Diese Anwendungsebene sollte in der Qualifizierung getrennt von der Kontaktzone betrachtet werden. Während bei elektrischen Kontakten Kontaktwiderstand und Steckzyklen dominieren, stehen hier Haltekräfte, Dichtigkeit, Medienbeständigkeit, Alterung und Prozessfenster im Vordergrund. DLIP ist deshalb kein Ersatz für Werkstoff- oder Prozessentwicklung, sondern ein zusätzlicher Stellhebel für die Grenzfläche.

Praxisbeispiel zur Reduktion von Steckkraft und Kontaktwiderstand

Ein Praxisbeispiel von Schroeder+Bauer zeigt eine Reduktion eines Steckverbinders der Einsteckkraft um 58 % bei gleichzeitig stabilem Kontaktwiderstand über 20 Steckzyklen an einem vor dem Stanzprozess DLIP-strukturierten Halbzeug. Verglichen wurden identische Kontaktgeometrien mit und ohne DLIP-Strukturierung unter wiederholten Steckzyklen. Die Bewertung umfasste Einsteckkraft, Kraftverlauf über 20 Zyklen sowie elektrischen Kontaktwiderstand gemäß TLF 0214.

Im konkreten Fall sank die Einsteckkraft von 23,2 N auf 9,7 N; der Median reduzierte sich von 15,4 N auf 7,7 N. Gleichzeitig blieb die Kraftentwicklung über 20 Zyklen stabiler, während die Referenz einen deutlichen Kraftanstieg zeigte (durch Durchrieb auf das Kupfer-Substrat). Die gemessenen mittleren Kontaktwiderstände lagen mit und ohne DLIP auf vergleichbarem Niveau. Besonderes zu beachten ist auch die drastisch verringerte Streuung der Steckkräfte bei der DLIP-strukturierten Variante.

Industrialisierung mit modularer Serienanlage und Integrationspfade

Die E 960 C1 wurde als Hochgeschwindigkeits-Laseranlage gemeinsam mit dem Auf- und Abwickelspezialisten Noxon für gestanztes und ungestanztes Bandmaterial entwickelt. Sie basiert auf der Plattform ELIPSYS und ist die erste, modulare Serienanlage zur DLIP-Veredelung von Halbzeug und gestanzten Produkten. Für Anwender sind insbesondere drei Integrationsfragen relevant: die Positionierung in der Prozesskette, die selektive Bearbeitung definierter Funktionszonen und die Absicherung eines stabilen Prozessfensters bei industriellen Bandgeschwindigkeiten (je nach Auf- und Abwicklung >20 m/min).

Je nach Strukturdesign, Material und Laserleistung sind unterschiedliche Bandgeschwindigkeiten möglich; deshalb ist die Prozessauslegung stets bauteil- und funktionsspezifisch vorzunehmen. Entscheidend ist nicht ein einzelner Spitzenwert, sondern die Kombination aus Strukturqualität, Reproduzierbarkeit, Inline-Fähigkeit, Laserschutz, Bahnführung und einfacher Bedienbarkeit. Die Anlage kann sowohl als In-Line- als auch als Stand-alone-Lösung genutzt werden [9].

Ein pragmatischer Integrationspfad beginnt mit der Definition der limitierenden Funktion: Steckkraft, Auszugskraft, Kontaktwiderstand, Fretting, Umspritzhaftung, Dichtheit oder Werkzeugstandzeit. Anschließend werden Strukturdesign, Prozessfolge und Prüfkriterien festgelegt. Erst danach ist sinnvoll zu entscheiden, ob eine Vorstrukturierung, Nachstrukturierung, xDLIP-, DualDLIP-Kombination oder eine selektive Inline-Bearbeitung den größten Nutzen liefert.

Direct Laser Interference Patterning: Grenzen, Qualifizierung und Ausblick

DLIP erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten in der Steckverbinderproduktion um einen bislang wenig genutzten Parameter: die gezielt eingebrachte Oberflächentopografie. Die dargestellten Beispiele zeigen, dass sich damit Steck- und Reibkräfte, Verschleißverhalten, Kontaktstabilität sowie Werkzeug- und Prozessstandzeiten gezielt beeinflussen und verbessern lassen. Besonders relevant ist der Ansatz dort, wo klassische Lösungen über Konstruktion, Beschichtung oder Schmierstoff an technische, regulatorische oder wirtschaftliche Grenzen stoßen.

Die Übertragbarkeit der Ergebnisse ist stets anwendungsspezifisch. Kontaktgeometrie, Beschichtung, Normalkraft, Gegenkörper, Temperatur, Medien und Prozessreihenfolge bestimmen wesentlich, ob eine DLIP-Struktur ihren vollen Nutzen entfaltet.

Nachhaltigkeitsvorteile entstehen nicht automatisch nur durch den Laserprozess selbst, sondern insbesondere dann, wenn die Strukturierung bestehende Prozesshilfen, Beschichtungsdicken, Ausschuss oder Wartungsaufwand reduziert. Besonders relevant sind Anwendungen, bei denen DLIP den Einsatz von Schmierstoffen, PTFE-/PFAS-basierten Hilfsstoffen oder verschleißbedingte Werkzeugwechsel verringern kann. Diese Effekte müssen jeweils an der konkreten Kontaktgeometrie und Prozesskette quantifiziert werden.

Für Anwender in der Steckverbinderindustrie ergibt sich daraus ein pragmatischer Ansatz: DLIP sollte gezielt dort geprüft werden, wo Reibung, Verschleiß, Kontaktstabilität, Schmierstoffsubstitution oder Werkzeugstandzeit limitierende Faktoren sind und wo eine selektive, inline-fähige Oberflächenfunktionalisierung einen messbaren wirtschaftlichen Nutzen erzeugen kann. (kr)

Literatur

[1] Mücklich, F.; Lasagni, A.; Daniel, C.: Laser interference metallurgy – using interference as a tool for micro/nano structuring, Int. J. Mat. Res., H. 97, S. 1337-1344 (2006)

[2] Lasagni, A.: Proceedings of 15th International Symposium on Laser Precision Microfab-rication, Vilnius, Lithuania (2014)

[3] Trinh, K. E., Tsipenyuk, A., Varenberg, M., Rosenkranz, A., Souza, N., & Mücklich, F. (2015). Wear debris and electrical resistance in textured Sn-coated Cu contacts sub-jected to fretting. Wear, 344–345, 86–98. https://doi.org/10.1016/j.wear.2015.10.010

[4] Trinh, K. E., Ramos-Moore, E., Green, I., Pauly, C., Zamanzade, M., & Mücklich, F. (2017). Topographical and Microstructural Effects of Laser Surface Texturing on Tin-Coated Copper Electrical Connectors under Load Cycling. IEEE Transactions on Com-ponents, Packaging and Manufacturing Technology, 7(4), 582–590. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2017.2659224

[5] Trinh Quoc, K. E. (2015). Laserinterferenztexturierung elektrischer Steckverbinder für die Automobilindustrie. Saarland University.

[6] Trinh Quoc, K. E. (2015). Laserinterferenztexturierung elektrischer Steckverbinder für die Automobilindustrie. Saarland University.

[7] Trinh, K. E., Mücklich, F., & Ramos-Moore, E. (2014). The role of microstructure and sur-face topography in the electrical behavior of Sn-coated Cu contacts. 27th International Conference on Electrical Contacts, ICEC 2014 - Proceedings, 243–248.

[8] Wang, Wei, et al. "Direct laser interference patterning using fiber Laser: Unleashing new possibilities for industrial applications." Materials Letters 389 (2025): 138279.

[9] SurFunction GmbH: ELIPSYS®: Neue Oberflächenplattform für High-End-Anwendungen. 47. Ulmer Gespräch, DGO Forum für Oberflächentechnik, Ulm, 20. Mai 2026, Dr. Dominik Britz.

[10] SurFunction GmbH: Functional Metasurfaces by ELIPSYS® - Engineering Surface In-telligence at Industrial Scale. Optence Webinar, Fokusgruppe Lasertechnologie, 20. Mai 2026, Dr. Daniel Müller.

[11] Mulko, L.; Soldera, M.; Lasagni, A. F.: Structuring and functionalization of non-metallic materials using direct laser interference patterning: a review. Nanophotonics 11(2), 2022, S. 203-240. DOI: 10.1515/nanoph-2021-0591

[12] Thome et al.: IEEE Holm Conference on Electrical Contacts 2022

* Alexander Hornung ist Chief Sales Officer bei SurFunction in Saarbrücken.

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