DE102018102419B4

DE102018102419B4 - Passives elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht und einer Schutzbeschichtung

Info

Publication number: DE102018102419B4
Application number: DE102018102419.3A
Authority: DE
Inventors: Christoph Regula; Ralph Wilken; Malte Burchardt; Franz-Josef Wöstmann; Stefan Dieckhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2038-02-03
Also published as: DE102018102419A1

Abstract

Passives elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht und darauf angeordnet einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung eine plasmapolymere Beschichtung ist mit einem Kohlenstoffanteil gemessen in einer Tiefe von 80 nm entfernt von der von der Indikatorschicht abgewandten Seite der Beschichtung von 50 bis 100 Atom-%, gemessen mittels XPS und bezogen auf die mit XPS erfassten Atome,wobei die Indikatorschicht Indikatoren umfasst oder daraus besteht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus thermochromen Salzen und thermochromen Komplexen,und wobei zwischen der Indikatorschicht und der plasmapolymeren Schicht eine Zone aus vernetztem Öl oder vernetztem Silikonöl vorhanden ist,wobei die Indikatorschicht ein Trägermaterial (Matrix) umfasst, ausgewählt aus der Gruppe der keramischen Schichten, auf Basis von Al2O3oder eine Eloxalschicht,wobei die Oberfläche des Bauteils aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung umfassend Aluminium besteht, undwobei das Bauteil eine Spule ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein passives elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht und darauf angeordnet einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung eine plasmapolymere Beschichtung ist. Diese kohlenstoffhaltige Beschichtung umfasst je nach Ausgestaltung einen bestimmten Anteil von Kohlenstoff. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Indikatorschicht zum Nachweis einer thermischen und/oder mechanischen Belastung und/oder chemischen Belastung eines passiven elektrischen Bauteils sowie ein Verfahren zur Herstellung eines passiven elektrischen Bauteils mit einer Indikatorschicht und einer darauf angeordneten entsprechenden kohlenstoffhaltigen Beschichtung.
Stand der Technik
Passive elektrische Bauteile müssen für den ordnungsgemäßen Einsatz elektrisch gegen andere Komponenten isoliert werden. Dies erfolgt in den meisten Fällen durch eine elektrische Isolationsschicht.
Aktuelle Trends in der Elektroindustrie gehen dahin, die Schichtdicken für elektrische Isolationsschichten bzw. -beschichtungen immer weiter zur reduzieren. Neben einer verbesserten Ausnutzung des verfügbaren Bauraums ermöglichen dünne Schichten darüber hinaus einen verringerten Wärmewiderstand.
Die elektrische Isolationsbeschichtung ist während der Herstellung und im Betrieb thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt, die zu einer Verringerung ihrer Leistungsfähigkeit oder Funktionsausfall führen können.
Ein einfacher Nachweis einer Exposition der Isolationsbeschichtung mit schädlichen Umgebungseinflüssen ist in mehrfacher Hinsicht wünschenswert:

• Haftungsfragen: Bei nicht-sachgemäßem Gebrauch der Isolationsbeschichtung (z. B. Temperaturüberschreitung) bzw. der Anlage in der diese Beschichtung eingesetzt wird, unterstützt der Nachweis schädlicher Umgebungseinflüsse die Klärung der Verantwortlichkeit von Beschichter, Bauteilhersteller und -anwender.
• Entwicklungsprozesse: Während des Entwicklungsprozesses von Beschichtungen oder Bauteilen ist der Nachweis (lokal) auftretender schädlicher Umgebungseinflüsse wünschenswert.
• Wartung: Es ist wünschenswert, so schnell wie möglich Wartungsbedarf zu erkennen.
• Einsatz: Es ist wünschenswert, im Falle einer Beschädigung optische Anzeigemöglichkeiten der defekten Bauteile / Bauteilgruppen zu haben für einen möglichst kurzen Ausfall und zielgerichtete, kostengünstige Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems.

Der Nachweis schädlicher Umgebungsbedingungen auf elektrische Isolationsbeschichtungen, insbesondere auf sehr dünne Beschichtungen, ist nach derzeitigem Entwicklungsstand nur eingeschränkt möglich:

• Lokale Messverfahren: Durch die Einbringung von Sensoren (z. B. Temperatursensoren) können schädliche Umgebungseinflüsse auf die Beschichtung lokal erfasst werden. Durch das Einbringen der Sensoren kann der Aufbau des elektrischen Bauteils gestört werden. Darüber hinaus ist nicht sichergestellt, dass der lokale Nachweis der schädlichen Umgebungseinflüsse repräsentativ für das gesamte Bauteil ist und alle kritischen Bereiche (»Hot Spots«) erfasst werden. Während Sensoren für die Temperaturmessung weit verbreitet sind, ist die Auswahl für Chemikalien (Wasser, Öle, Säuren) deutlich eingeschränkt.
• Integrale Messverfahren: Die mittlere Temperatur eines passiven elektrischen Bauteils kann über seine Widerstandsänderung erfasst werden. Bei diesem Verfahren werden lokale Temperaturunterschiede nicht erfasst.

Die Temperaturüberwachung in passiven elektrischen Bauteilen erfolgt heute durch die lokale Einbringung von Temperatursensoren oder eine indirekte Messung über die Widerstandsänderung des Bauteils bei Temperaturerhöhung.
Bei der lokalen Temperaturmessung durch Sensoren ist nicht sichergestellt, dass der Messwert repräsentativ für das gesamte Bauteil ist und alle kritischen Bereiche (»Hot Spots«) erfasst werden.
Eine Überwachung anderer, für die Isolationsbeschichtung potentiell schädlicher Umgebungsbedingungen, z. B. Eindringen von Wasser oder Ölen, erfolgt nach Kenntnis der Anmelder für elektrische Isolationsbeschichtungen derzeit nicht.
Gleichzeitig sind aus anderen Bereichen zahlreiche Lösungen bekannt, den Einfluss von Umgebungsbedingungen auf Beschichtungen oder Materialien nachzuweisen (siehe auch Literaturverzeichnis):

• pH-sensitive, verkapselte Indikatoren für Korrosionsschutzbeschichtungen auf Metallen [z. B. in Wenyan Li, Jerry W. Vuhrow, Scott T. Jolley, Luz M. Calle, Joshua S. Hanna, James W. Rawlins: Microencapsulation of corrosion indicators for smart coatings.]
• oxidationsempfindliche Indikatoren für Korrosionsschutzbeschichtungen [z. B. in Guangjuan Liu, Harovel G. Wheat: Coatings for Early Corrosion Detection. ECS Transactions 2010, 28, 239-247.]
• Indikatoren zum Nachweis von Metallionen für Korrosionsschutzbeschichtungen auf Metallen [z. B. in Eric L. Morris: Indicator coatings for metal surfaces. EP2859132 A1 , 2012 und WO2013185131 A1, 2012.]
• Einsatz von Indikatoren zum Nachweis chemischer Verbindungen [z. B. in Otto S. Wolfbeis: Chemical Sensing Using Indicator Dyes. Optical Fibre Sensors (Hrsg. J. Dakin, B. Culshaw), Artech House, Boston-London 1997, Vol. IV, Kapitel 8.]
• Chromogene Polymere [z. B. in Chromogene Polymere. https://www.iap.fraunhofer.de/de/Forschungsbereiche/Funktionale Polymersystem e/chromogene_polymere.html (Zuletzt aufgerufen: 12.10.2017)]
• Wassergehalt in Beschichtungen [z. B. in L. R. Hovarth, S. S. Bates: Color Change Refractory Coating Technology as a Quality Control Tool. AFS Transactions 2006 und Shamlax Metachem Private Limited: Color Changing Coatings. http://www.shamlax.com/color-changing-coatings (Zuletzt aufgerufen: 12.10.2017).]
• thermochrome Farbstoffe und Pigmente [z. B. in Robert M. Christie, Sara Robertson, Sarah Taylor: Design Concepts for a Temperaturesensitive Environment Using Thermochromic Colour Change. Colour: Design & Creativity 2007, 1, 1-11 und/oder GlobalSpec: Temperature Indicating Coatings and Materials Information. http://www.globalspec.com/learnmore/sensors_transducers_detectors/temperature _sensing/temperature_indicators (Zuletzt aufgerufen: 12.10.2017)]
• Indikatoren zum Nachweis von Körperflüssigkeiten [z. B. in Min H. Lim, Michael G. Marinangeli: Color changing composition and method for coating said composition on acupuncture needles, hypodermic syringes and other needles used in medical applications. US5855896 A , 1995.]
• Markierungsstifte mit Indikatoren für Temperaturüberschreitungen beim Schweißen [z. B. in LA-CO Industries: Markers, Temperature Indicators, Industrial Coatings and Chemicals for Welders. http://www.laco.eom/assets/1/7/spg_LP99R00210_welding_bro.pdf (Zuletzt aufgerufen: 12.10.2017)]
• Nanopartikel zum Nachweis von Temperaturbeaufschlagung oder mechanischem Impact [z. B. in Uschi M. Graham, Rajesh A. Khatri: Coating for sensing thermal and impact damage. US Patent US 8,980,381 B2 , 2015.]

Des Weiteren sei auf die Dokumente DE 10 2017 200 952 A1 , DE 10 2016 214 493 A1 , DE 100 00 791 A1 , EP 0 244 394 B1 , EP 1 020 545 A2 , EP 2 134 884 B1 , AT 407 165 B , CA 2 321 361 A1 , DE 10 2008 033 940 B3 und CN 203 377 073 U verwiesen.
Vor dem Hintergrund des Standes der Technik war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein passives elektrisches Bauteil mit besonders guten Isolationseigenschaften, insbesondere im Sinne einer Durchschlagsfestigkeit anzugeben, wobei zusätzlich die Möglichkeit bestehen sollte, eine Beschädigung und/oder drohende Beschädigung und/oder drohende Schwächung, die gegebenenfalls zu einem Ausfall führen kann, leicht festzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein passives elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht und darauf angeordnet einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung eine plasmapolymere Beschichtung ist mit einem Kohlenstoffanteil gemessen in einer Tiefe von 80 nm entfernt von der von der Indikatorschicht abgewandten Seite der Beschichtung von 50 bis 100 Atom-%, vorzugsweise 50 bis 90 Atom-%, gemessen mittels XPS und bezogen auf die mit XPS erfassten Atome,
wobei die Indikatorschicht Indikatoren umfasst oder daraus besteht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus thermochromen Salzen und thermochromen Komplexen,
und wobei zwischen der Indikatorschicht und der plasmapolymeren Schicht eine Zone aus vernetztem Öl oder vernetztem Silikonöl vorhanden ist,
wobei die Indikatorschicht ein Trägermaterial (Matrix) umfasst, ausgewählt aus der Gruppe der keramischen Schichten, auf Basis Al₂O₃ oder eine Eloxalschicht,
wobei die Oberfläche des Bauteils aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung umfassend Aluminium besteht, und
wobei das Bauteil eine Spule ist.
Ein Indikator im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Reinstoff oder ein Stoffgemisch, der oder das nach einer mechanischen, physikalischen, insbesondere thermischen oder chemischen Veränderung seiner Umgebungsbedingungen selbst eine optisch detektierbare Veränderung zeigt, die indikativ für die wenigstens zeitweise eingetretene Veränderung der Umgebungsbedingung ist.
Die detektierbaren Umgebungsbedingungen im Sinne dieser Erfindung können insbesondere das Aussetzen von mechanischem Stress, von thermischem Stress, von Feuchte und/oder von korrodierenden oder anderen aggressiven chemischen Medien sein.
Als Umgebungsbedingungen sind dabei die Bedingungen aufzufassen, die um die Indikatoren in der Indikatorschicht herum vorliegen. Diese Umgebungsbedingungen können beispielsweise durch das passive elektrische Bauteil selbst verändert werden, sie können aber ebenfalls beispielsweise durch Änderungen in der Umgebungsatmosphäre, in der das erfindungsgemäße passive elektrische Bauteil vorgesehen ist, bewirkt werden.
Bevorzugte optisch detektierbare Veränderungen sind solche, die einen Farbumschlag im Bereich des sichtbaren Lichtes, eine Fluoreszenz und/oder eine Lumineszenz bewirken oder umgekehrt das Erlöschen einer Fluoreszenz oder Lumineszenz bewirken.
Eine hier offenbarte „Sol-Gel-Beschichtung“ im Sinne dieses Textes ist eine Schicht, die durch ein Sol-Gel-Verfahren herstellbar ist.
Ein Teil der hier offenbarten Beschichtungen sind metallorganische Beschichtungen. Metallorganische Beschichtungen im Sinne dieser Anmeldung umfassen einen Anteil an Metallen von ≥ 10 Atom-%, gemessen mittels XPS und bezogen auf die mit XPS erfassten Atome. Im Sinne der vorliegenden Erfindung zählt Silicium ausdrücklich per Definition zu den Metallen.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden Beschichtungen besitzen einen Kohlenstoffanteil von ≥ 50 Atom-% und umfassen in diesem Falle ≥ 10 Atom-% Metalle einschließlich Silicium.
Hier offenbarte bevorzugte metallorganische Schichten umfassen 10 bis 40 Atom-% Silicium.
Die Erzeugung plasmapolymerer Beschichtungen beziehungsweise die Plasmapolymerisation an sich sind dem Fachmann bekannt. Die Plasmapolymerisation ist eine spezielle plasmaunterstützte Variante der chemischen Gasphasenabscheidung (PE-CVD). Bei der Plasmapolymerisation werden dampfförmige organische Vorläuferverbindungen (Precursor-Monomere) in der Prozesskammer durch ein Plasma zunächst aktiviert. Durch die Aktivierung entstehen ionisierte Moleküle, angeregte Zustände oder Radikale und es bilden sich in der Gasphase zum Teil Molekülfragmente der Precursoren. Die anschließende Kondensation dieser Fragmente auf der Substratoberfläche bewirkt dann unter Einwirkung von Substrattemperatur, Elektronen- und lonenbeschuss die Polymerisation und somit die Bildung einer geschlossenen Schicht. Die Struktur der entstehenden Plasmapolymere ist stark vernetzt und sie bilden ein weitgehend statistisches kovalentes Netzwerk. Die Abscheidung von kettenförmigen Polymeren in ein- oder polykristalliner Form ist daher durch Plasmapolymerisation nicht möglich. Die eingesetzten Precursoren werden unter PE-CVD-Bedingungen erst durch die Anregung im Plasmaprozess in reaktive Spezies umgewandelt. Der Fachmann unterscheidet daher die Plasmapolymerisation von anderen Abscheidungsverfahren wie z. B. die Atomlagenabscheidung (ALD-Verfahren). Beim ALD-Verfahren handelt es sich um ein stark verändertes CVD-Verfahren durch zwei oder mehr zyklisch durchgeführte selbstbegrenzende Oberflächenreaktionen, wodurch die Schichten in der Regel eine polykristalline oder amorphe Struktur erhalten. Die erfindungsgemäß bevorzugt verwendete Plasmapolymerisation ist eine spezielle plasmaaktivierte Variante der chemischen Gasphasenabscheidung (PE-CVD).
Ein passives elektrisches Bauteil im Sinne dieser Erfindung ist eine Spule. Bevorzugt ist das passive elektrische Bauteil ein Leistungsbauteil, also ein Bauteil, das eine Energieform in eine andere umwandelt, z. B. in einem Transformator.
Analog zum Einsatz in einem Transformator sind weitere mögliche Einsatzgebiete für passive elektrische Bauteile, insbesondere Spulen denkbar, beispielsweise in Motoren, Generatoren oder als Drosselspule.
Durch die Einbringung von Indikatoren in die Beschichtung von passiven elektrischen Bauteilen, insbesondere von Spulen gelingt es in Kombination mit den erfindungsgemäß einzusetzenden kohlenstoffhaltigen Beschichtungen, insbesondere den weiter unten beschriebenen bevorzugten, in überraschend guter Weise, schädliche Umgebungsbedingungen eines elektrischen Bauteiles zu detektieren. Dabei ist es möglich, die Indikatorschicht in den Beschichtungsprozess mit einzubauen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, dass die Indikatorschicht eine geschlossene Schicht ist. Es reicht, wenn die Indikatorschicht beispielsweise inselartig über einzelne Teile des Bauteils verteilt ist, solange die nachfolgende kohlenstoffhaltige Beschichtung eine ausreichend geschlossene Schicht ist, sodass sie über gute Isolationseigenschaften verfügt.
In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, verschiedene Indikatoren in der Indikatorschicht vorzusehen, beispielsweise für verschiedene Temperaturen, wobei die Indikatorschicht auch als Mehrschichtsystem ausgebildet sein kann, um eventuell miteinander reaktive Indikatoren voneinander zu trennen.
Es besteht auch grundsätzlich die Möglichkeit, die Indikatoren so auszugestalten, dass sie den Hinweis auf eine lange Lagerzeit des beschichteten Bauteiles durch eine entsprechende optische Veränderung geben können.
Der Grad der Änderung des Indikators (z. B. als Farbänderung) kann als Maß für die Ausprägung der schädlichen Umgebungsbedingungen oder die Dauer einer Exposition sein. Dabei ist es dem Fachmann möglich, Indikatoren so auszuwählen, dass der jeweils entscheidende Zustand zuverlässig detektiert werden kann. Geht es z. B. darum, durch den Indikator festzustellen, wenn eine Temperaturschwelle überschritten ist, so wird er einen Indikator wählen, der auch bei einer kurzzeitigen Überschreitung einen entsprechenden optischen Effekt aufweist. Bei Bauteilen, die kurzzeitige Temperaturüberschreitungen eines Schwellenwertes tolerieren, aber einer längeren vergleichbaren Belastung nicht ausgesetzt sein sollen, kann ein Indikator so ausgestaltet werden, dass erst bei einer längeren Belastung (ggf. auch additiv) der entsprechende Indikatorumschlag erfolgt.
Für den Einsatz der Indikatoren ist es entscheidend, dass sie beim Einbringen in die Schicht während der Beschichtung des Bauteiles ihre für den Einsatz geforderten Eigenschaften nicht einbüßen. So dürfen beispielsweise thermochrome Indikatoren während eines möglichen Einbrenn-Vorgangs in der Beschichtung nicht (irreversibel) verändert werden. Hier hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass viele der für die Zwecke dieser Erfindung geeigneten Indikatoren durch die erfindungsgemäß einzusetzenden kohlenstoffhaltigen Beschichtungen während deren Aufbringungsprozess nicht geschädigt werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ein elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht, wobei die Indikatorschicht einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Oberfläche des elektrischen Bauteils, die mit der Indikatorschicht bedeckt ist, besitzt.
Hierdurch wird der Verbund zwischen Bauteilen und Beschichtungen stabil. In diesem Zusammenhang ist bereits darauf hinzuweisen, dass es häufig sinnvoll ist, dass die Indikatorschicht nur zu einem geringen Anteil Indikatoren enthält und vielmehr im Wesentlichen aus einem Trägermaterial (Matrix) gebildet wird. Erfindungsgemäße Matrix-Materialien für die Indikatorschicht werden weiter unten beschrieben.
Die erfindungsgemäß zu verwendende plasmapolymere Beschichtung (als kohlenstoffhaltige Beschichtung) ist in der deutschen Patentanmeldung 10 2016 214 493.6 (zugehörige Offenlegungsschrift: DE 10 2016 214 493 A1 ) näher beschrieben. Auf dem Wege der Verweisung werden die Textstellen, die die plasmapolymere Schicht näher charakterisieren, aus der letztgenannten Anmeldung Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden kohlenstoffhaltigen Beschichtungen können auch als aCH-Beschichtungen (amorphe Kohlenwasserstoffbeschichtung) ausgestaltet sein oder ggf. auch als DLC (Diamond-like carbon-Beschichtung). Dabei sind die aCH-Beschichtungen bevorzugt.
Bevorzugt ist es, dass der Kohlenstoffanteil in den Beschichtungen im Fall von hier offenbarten metallorganischen Beschichtungen von 5 bis 50 Atom-%, weiter bevorzugt von 10 bis 45 Atom-% liegt, jeweils gemessen mittels XPS und bezogen auf die mit XPS erfassten Atome.
Grundsätzlich gilt es, dass Atom-%-Angaben - sofern nicht anders darauf hingewiesen wird - sich stets auf die Gesamtzahl der mit XPS erfassten Atome beziehen.
XPS oder ESCA ist dabei ein gängiges Messverfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Verwendung, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung gemessen an der Oberfläche der vom Bauteil abgewandten Seite der Beschichtung bezogen auf den Gesamtkohlenstoffanteil gemessen mittels XPS an dieser Oberfläche ≤ 10 Atom-% bevorzugt s 5 Atom-% Kohlenstoff als Bestandteil von verseifbaren Gruppen umfasst.
In einigen Fällen kann es bevorzugt sein, dass diese kohlenstoffhaltige Beschichtung nicht geschlossen ist, also Fehlstellen aufweist und/oder Poren und/oder für die zu detektierenden Chemikalien nicht undurchdringbar ist (Permeation).
Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, die erfindungsgemäß zu verwendenden Beschichtungen im plasmapolymeren Verfahren so abzuscheiden, dass der Anteil an verseifbaren Gruppen an der Oberfläche sehr gering ist. Offensichtlich ist es so, dass diese Gruppen die Schutzschichten im Kontakt mit aggressiven Medien wie z. B. Ammoniak besonders angreifbar machen.
Verseifbare Gruppen im Sinne dieser Erfindung sind bevorzugt diejenigen Gruppen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ester-, Amid-, Urethan- und HarnstoffGruppen.
Der Anteil des Kohlenstoffs in solchen Gruppen lässt sich bestimmen durch Feststellen der chemischen Verschiebung insbesondere im Bereich von 288,5 bis 290,5 eV an der Oberfläche der Beschichtung, wobei der C1s-Peak gefittet wird. Hierzu sei auch auf die Beschreibung weiter unten und insbesondere das entsprechende Beispiel verwiesen.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Verwendung, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung eine aCH-Beschichtung ist.
Bevorzugt umfassen hier offenbarte siliciumorganische Beschichtungen 10 bis 40 Atom-% Silicium, bevorzugt 20 bis 32 Atom-% Silicium und/oder 30 bis 70 Atom-% Sauerstoff, bevorzugt 40 bis 64 Atom-% Sauerstoff, jeweils bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome.
Es ist eine erfindungsgemäße Verwendung bevorzugt, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung Silicium umfasst und/oder eine Rissdehnung von ≥ 2,5 % aufweist und/oder eine mittels Nanoindentation zu messende Härte im Bereich von 2 bis 6 GPa, vorzugsweise 3,1 bis 6 GPa aufweist und/oder durch Messung mittels XPS gemessen in einer Tiefe von 80 nm entfernt von der von der Zwischenschicht abgewandten Seite der plasmapolymeren Beschichtung bestimmbare Anteile umfasst von 5 Atom-% Silicium und/oder 30 bis 40 Atom-% Sauerstoff aufweist, bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome und/oder eine Dicke von 100 nm bis 100 µm bevorzugt 200 nm bis 50 µm und weiter bevorzugt 500 nm bis 10 µm besitzt.
Bevorzugt ist, dass die erfindungsgemäß einzusetzende plasmapolymere Beschichtung eine mittlere Schichtdicke von 100 nm bis 100 µm, bevorzugt 200 nm bis 50 µm und weiter bevorzugt 500 nm bis 10 µm besitzt.
Es ist bevorzugt, die plasmapolymere Schicht so abzuscheiden, dass sich auf dem Substrat eine Biasspannung aufbaut. Dies gelingt am besten durch Schaltung des zu beschichtenden Substrates als Kathode. Dies bewirkt einen lonenbeschluss der entstehenden Beschichtung, sodass - ohne an eine Theorie gebunden zu sein - Schichten entstehen, die eine gute Kombination der Eigenschaften Härte und Flexibilität, ausgedrückt durch Rissdehnung von ≥ 2,5 %, bevorzugt ≥ 3 % besitzen (Dehnung bis Riss).
Eine solche Flexibilität ist insbesondere wichtig für passive elektrische Bauteile, die nach ihrer Beschichtung noch einmal verformt werden müssen, wie es beispielsweise bei Spulen nach dem Beschichtungsprozess der Fall sein kann, oder die Temperaturspannungen ausgesetzt sind.
Besonders gute Schichteigenschaften erreicht man dabei bei Einstellung von Biasspannungen von 50 bis 300 Volt, bevorzugt 100 bis 200 Volt während des Abscheidungsprozesses gegen Masse (des Plasmagenerators).
Bevorzugt ist, dass die plasmapolymere Beschichtung über eine mittels Nanoindentation zu messende Härte im Bereich von 1,5 bis 6 GPa, bevorzugt 2,4 bis 5 GPa, weiter bevorzugt 3,1 bis 4 GPa verfügt.
Diese Nanoindentationshärte ist besonders bevorzugt in Kombination mit einer Rissdehnung von ≥ 2,5 % und weiter bevorzugt in einer Kombination mit einer Rissdehnung von ≥ 3,0 %. Damit sind auf dem passiven elektrischen Bauteil Schichten vorgesehen, die über eine besonders gute Kombination von Härte und Flexibilität verfügen.
Generell sei noch angemerkt, dass an einigen Stellen in diesem Text darauf hingewiesen wird, dass der Kohlenstoffanteil der kohlenstoffhaltigen Schicht in einer Tiefe von 80 nm von der Oberfläche entfernt gemessen wird. Grund hierfür ist, dass Oberflächeneffekte, wie z. B. die Sättigung mit Sauerstoff, ausgeblendet werden sollen. Die Messung erfolgt hierbei bevorzugt wie im Messbeispiel 1 beschrieben. Sofern es sich um die verseifbaren Gruppen an der Oberfläche handelt, wird direkt an der Oberfläche gemessen, da es hier vor allen Dingen auf die Oberflächeneffekte ankommt.
Erfindungsgemäß im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, dass die Indikatorschicht ein Trägermaterial umfasst, ausgewählt aus der Gruppe der keramischen Schichten, auf Basis von Al₂O₃ oder eine Eloxalschicht.
Mittels dieses Trägermaterials (Matrix-Materials) ist es möglich, die Indikatorschicht so auszugestalten, dass sie in Kombination mit der erfindungsgemäß zu verwendenden kohlenstoffhaltigen Beschichtung die Isolationswirkung des Beschichtungssystems durch Zusammenwirken verbessert.
Besonders bevorzugt ist die Indikatorschicht eine Eloxalschicht (in der natürlich die Indikatoren enthalten sind).
Eloxalschichten und keramische Schichten sind typische Isolierungsschichten, die im Stand der Technik eingesetzt werden bzw. Schutzschichten. Sie verfügen über einen verhältnismäßig geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, sodass sie in der Kombination mit darunter liegenden Metallen bei thermischer und mechanischer Belastung häufig ihre Schutzwirkung verlieren. Dieser Effekt lässt sich bei dieser Art von Schichten überraschenderweise besonders gut durch die erfindungsgemäß einzusetzende kohlenstoffhaltige Beschichtung ausgleichen bzw. abmildern.
Eine besonders bevorzugte Indikatorschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Eloxalschicht, insbesondere bei einer damit beschichteten Aluminiumoberfläche des passiven elektrischen Bauteils. Bevorzugte Schichtdicken der Zwischenschicht sind 0,2 bis 30 µm, weiter bevorzugt 1 bis 20 µm und besonders 2 bis 10 µm.
Weiterhin kann es in vielen Fällen bevorzugt sein, insbesondere bei einer Indikatorschicht mit Eloxal, dass die Indikatorschicht so ausgeführt ist, dass im REM-Schnitt zumindest im oberen Bereich der Eloxalschicht zur kohlenstoffhaltigen Beschichtung nur noch geschlossene Poren vorhanden sind. Weiter bevorzugt kann es sein, dass im Oberflächenbereich der Eloxalschicht ein teilkristalliner Zustand vorliegt. Im Falle der Eloxalschicht kann diese Ausführung z. B. durch eine Nachverdichtung in heißem Wasser erzielt werden.
Erfindungsgemäß ist zumindest die Oberfläche des Bauteils aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung umfassend Aluminium. Bevorzugt ist, dass das ganze Bauteil aus diesen Materialien besteht. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang Aluminium bevorzugt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß, dass das Bauteil eine Spule ist.
Bevorzugt ist eine Indikatorschicht, die ein vernetztes und/oder unvernetztes Öl und/oder vernetztes und/oder unvernetztes Silikonöl enthält. Das Öl kann (sofern in der Indikatorschicht enthalten) der Träger des Indikators sein.
Unter einem Öl versteht der Fachmann eine vom lateinischen Begriff „oleum“ abgeleitete Sammelbezeichnung für wasserunlösliche, bei 20 °C flüssige, organische Verbindungen mit relativ niedrigem Dampfdruck, deren gemeinsames Merkmal nicht die übereinstimmende chemische Konstitution, sondern die ähnliche physikalische Konsistenz ist. Öle haben eine relativ hohe Viskosität, sie sind in fast allen organischen Lösemitteln löslich. Es können natürliche, pflanzliche oder tierische, gegebenenfalls modifizierte pflanzliche oder tierische Öle, Mineralöle (aus Erdöl gewonnen) sowie vollsynthetische Öle wie z.B. Silikonöle sein. Zu den Nicht-Silikonölen zählen insbesondere halogenfreie, organische Flüssigkeiten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenwasserstoffen, Fettsäuren, Triglyceriden, Mineralölen und Polyethern.
Unter einem Silikonöl versteht der Fachmann solche synthetische Öle, in denen SiliciumAtome über Sauerstoff-Atome kettenartig oder netzartig verknüpft und die restlichen Valenzen des Siliciums durch Kohlenwasserstoff-Reste, meist Methyl-Gruppen, seltener Ethyl-Gruppen, Propyl-Gruppen, Phenyl-Gruppen u.a., abgesättigt sind. Alternativ können die restlichen Valenzen auch teilweise oder vollständig durch Halogenkohlenwasserstoff-Gruppen, insbesondere Fluorkohlenwasserstoff-Gruppen, wobei gegebenenfalls sämtliche Wasserstoffe durch Halogen, insbesondere Fluoratome ersetzt sind, abgesättigt sein. Bevorzugt besitzen entsprechende Silikonöle ein Molekulargewicht von > 600 g/mol.
Ein vernetztes Öl oder ein vernetztes Silikonöl ist in der Lage, die Verbindung zwischen plasmapolymerer Schicht und Indikatorschicht zu stabilisieren und beispielsweise Unebenheiten auf der Indikatorschicht auszugleichen oder Poren der Indikatorschicht aufzufüllen. Dabei erfolgt die Vernetzung bevorzugt im Rahmen des Plasmapolymerisationsprozesses, der so eingestellt werden kann, dass vor der Schichtabscheidung vernetzende Bedingungen bestehen. Die als unvernetzt bezeichneten Bereiche weisen im Sinne der Erfindung immer auch einen geringen Grad an vernetzten Bestandteilen auf, was dem Sinne nach einer Teilvernetzung gleich kommt. Darüber hinaus sind die Öle bzw. Silikonöle an der offenen Seite der Poren der Eloxalschicht tendenziell mehr vernetzt und bieten durch den dort vorliegenden Grad der Vernetzung auch eine gute Adhäsion zum Eloxalmaterial. An der Gegenseite (geschlossene Porenseite zum Substratmaterial) ist der Vernetzungsgrad tendenziell geringer und kann auch in der oben beschriebenen Form des unvernetzten Öls vorliegen. Als Alternative oder zusätzlich zur Porenfüllung ist auch eine Verdichtung der Zwischenschicht möglich, beispielsweise eine Heißverdichtung bei 90 bis 100 Grad Celsius in deionisiertem Wasser für eine Stunde.
Bevorzugt ist es, dass - sofern noch Poren in der Indikatorschicht vorhanden sind - diese eine Größe von 1 bis 200 nm, bevorzugt 1 bis 100 nm und weiter bevorzugt 1 bis 30 nm besitzen, jeweils bezogen auf den größten Porendurchmesser in Sicht senkrecht zur Oberfläche der Zwischenschicht, gemessen mit einem Rasterelektronenmikroskop.
In vielen Fällen ist es jedoch bevorzugt, dass die (indikatorhaltigen) Poren der Indikatorschicht verfüllt sind. Hierzu eignet sich beispielsweise wärmevernetzendes Silikon. Ganz besonders bevorzugt ist ein Material namens „HTA“ (Hersteller: AZ Elektronics Materials GmbH, Wiesbaden). Als Alternative oder zusätzlich zur Porenfüllung ist auch eine Verdichtung der Zwischenschicht möglich, beispielsweise eine Heißverdichtung bei 90 bis 100 Grad Celsius für eine Stunde.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß einzusetzenden Indikatorschicht auf einem Substrat.

Bezugszeichenliste

1: Grundwerkstoff (das Substrat, hier aus Aluminium)
3: Matrixmaterial der Indikatorschicht, hier Aluminiumoxid
5: Indikator in der Eloxalpore
7: Verdichtung des Eloxals.

Erfindungsgemäß ist auf der Indikatorschicht aus 1 noch die kohlenstoffhaltige Beschichtung vorzusehen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung können die Indikatoren in die Indikatorschicht auf dem Fachmann bekannte Weisen eingebracht werden. Insbesondere ist hier zu nennen, dass der Indikator gemeinsam mit dem Grundmaterial für die Indikatorschicht auf das Bauteil aufgebracht werden kann oder erst nachdem das Grundmaterial für die Indikatorschicht aufgebracht wurde, indem z. B. im Grundmaterial vorhandene Poren mit indikatorhaltigem Material wie z. B. Flüssigkeiten gefüllt werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist der Einsatz einer kohlenstoffhaltigen, plasmapolymeren Beschichtung, die über eine Abweichung von -60 % bis +1000 %, bevorzugt -50 % bis +500 %, weiter bevorzugt -55 % bis +250 % bezogen auf die mittlere Schichtdicke in einzelnen Bereichen der Schicht verfügt.
Es ist durch den Beschichtungsprozess möglich, dass beispielsweise bei der Beschichtung einer Aluminiumspule, die mit einer Eloxalindikatorschicht versehen ist, der Beschichtungsprozess so geführt wird, dass in der Mitte der Spule eine besonders geringe Schichtdicke der plasmapolymeren Schicht vorhanden ist, während außen die mittlere Schichtdicke vorhanden ist, während innen eine erhöhte Schichtdicke besteht. Die Innenseite ist die Seite der Spule, die zum Zahn des Motors bzw. Blechpaketes zeigt. Die Außenseite ist dem entsprechend die abgewandte Seite und die Mitte die Position dazwischen.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass die Indikatorschicht und die kohlenstoffhaltige Beschichtung gemeinsam eine Durchschlagsfestigkeit gemessen nach DIN EN 60243-1 und DIN EN 60243-2 von ≥ 100 V gemessen für einen Strom von bis zu maximal 3mA besitzen.
Die Durchschlagsfestigkeit ist eine wichtige Kenngröße für passive elektrische Bauteile, insbesondere für Spulen, Kondensatoren und Widerstände. Dabei hat sich herausgestellt, dass mit abnehmender Rauheit der mit der beschichteten Oberfläche bei ansonsten identischen Parametern (Schichtdicke, Abscheidungsbedingungen etc.) die elektrische Durchschlagsfestigkeit zunimmt.
Als bevorzugt zeigte sich auch, dass, wenn die oben bezeichneten Rauwerte des Substrates überschritten werden (r_a größer 0,5 µm), , die Schichtdicke der kohlenstoffhaltigen Beschichtung entsprechend einem Faktor zwischen 2 und 10 gesteigert wird, um dieselben elektrischen Isolationseigenschaften und Werte erzielen zu können.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist, dass das Bauteil nach einer Auslagerung bei 300 °C für 500 Stunden in einem Umluftofen bei trockener Umluft und danach folgender Abkühlung auf 20 °C innerhalb einer Stunde wenigstens 80 % der Durchschlagsfestigkeit vor der Auslagerung besitzt.
In dem erfindungsgemäß einzusetzenden Beschichtungssystem auf dem passiven elektrischen Bauteil ist es möglich, überraschend gute und dauerhafte Werte für die Durchschlagsfestigkeit zu erzielen. Die Durchschlagsfestigkeit wird bevorzugt wie im Messbeispiel 2 beschrieben, bestimmt. Die Durchschlagsfestigkeit scheint zudem auch ein Indikator für gute Beständigkeit gegen Ammoniak zu sein.
Wie bereits oben beschrieben ist eine plasmapolymere kohlenstoffhaltige Beschichtung erfindungsgemäß. Diese Beschichtung kann aus rein organischen Precursoren wie insbesondere Acetylen hergestellt werden. Hierbei ist der Fachmann in der Lage, durch geeignete Verfahrensführung die erfindungsgemäß zu verwendenden kohlenstoffhaltigen plasmapolymeren Beschichtungen einzustellen.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes passives elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht, wobei das elektrische Bauteil im Bereich der kohlenstoffhaltigen (insbesondere plasmapolymeren) Schicht gegenüber einer 1 mol/L NaOH-Lösung für eine Dauer von 20 Minuten bei Raumtemperatur keinen optisch feststellbaren Ätzangriff aufweist.
Die Prüfung auf Beständigkeit gegenüber NaOH-Lösung ist im Messbeispiel 3 beschrieben.
Mit dem erfindungsgemäß einzusetzenden Schichtsystem aus Indikatorschicht und kohlenstoffhaltiger Deckschicht ist es möglich, passive elektrische Bauteile nicht nur elektrisch zu isolieren, sondern bei entsprechender Ausgestaltung ebenso gegen Korrosionsangriffe bzw. Ätzangriffe durch Laugen zu schützen. Dabei geht die Indikatorwirkung des Indikators nicht verloren, es sei denn, der Indikator ist gerade dafür gedacht, entsprechende Schädigungen zu zeigen.
Erfindungsgemäße Indikatoren im Sinne der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend aufgezählt. Hierbei soll die nachfolgende Beschreibung den Fachmann in die Lage versetzen, für seine Zwecke geeignete Indikatoren auszuwählen. Insbesondere sei hierbei auch auf die entsprechenden Literaturstellen verwiesen.
Erfindungsgemäße Indikatoren sind thermochrome Salze und Komplexe. Thermochrome Salze und Komplexe lassen sich in geeigneten Lösungsmitteln auflösen und dadurch sehr fein verteilt in die Indikatorschicht einbringen. Bevorzugt in diesem Zusammenhang ist der Einsatz in den Poren einer Eloxalschicht als Indikatorschicht. Als Beispiele und bevorzugte Thermochrome seien die folgenden Thermochrome (zum Teil in Verbindung mit den entsprechenden Literaturstellen) genannt. Die Literaturstellen sind jeweils in eckigen Klammern angegeben, und das Literaturverzeichnis befindet sich am Ende des Beschreibungstextes vor den Beispielen.

• Tetraphenylarseniumverbindung: blassgelb, bei T >= 179 °C Grünfärbung [13]
• Kupferkomplexsalze mit N-alkyliertem Ethylendiaminen: Asymmetrisches Diäthyläthylendiamin: reversibler Farbwechsel von rubinrot zu violett bei T > 43-45 °C [14]
• Thermochromic phase transitions in transition metal salts, [15]
• z. B. Ni(dpm)CI2, reversibler Farbwechsel Orange-Lila
• Irreversibler Farbwechsel: vgl. Tabelle 1

Verbindung	Übergangstemperatur (°C)	Farbwechsel
(meth)2NiBr2	20	gelb-blau
[CrCl₂(en)(pn)]Cl·0.75 H₂O	200	grün - violett
[CrCl₂(pn)(tn)]Cl·H₂O	220	grün - violet
[CrCl₂(en)(tn)](H₅O₂)Cl₂	235	grün - violett
[CrBr₂(pn)(tn)](H₅O₂)Br2	195	grün - violett
Pd(iso-nma)2	100	orangerot - schwärzlich rot
Pd(iso-nea)2	100	dunkelrot - schwärzlich rot

Weitere besonders geeignete thermochrome Salz und Komplexe sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2: Thermochrome Salze und Komplexe.

Verbindung	Farbe bei Raumtemp.	Farbe nach Erwärmung	T(Wandel) in °C	Thermochromie	Quelle
Kupfer(I)-Oxid Cu₂O	Rot	schwarz		reversibel	[17, S. 110ff]
Quecksilber(II)-lodid Hgl₂	Rot	gelb	ca.73	reversibel	[17, S. 110ff]
Zinkoxid (ZnO)	weiß/farblos	gelb	ca. 300	reversibel	[21, S. 127], [17 S. 110-1151
Kaliumchromat K₂CrO₄	Gelb	orange bis rot	670	reversibel	[21, S. 127], [17, S. 110-115]
Titanoxid TiO₂	Weiß	gelb		reversibel	[17, S. 110ff]
Bleioxid PbO	Gelb	Orangerot	488		[17, S. 110ff]
Cadmiumoxid	grünlichgelb	bis braunschwarz			[17, S. 110ff]
Eisen(III)-Oxid Fe₂O₃	Rot	schwarz		reversibel	[17, S. 110ff]
Hgl₂	Rot	gelb	ca. 127	reversibel	[21, S. 9], [22, S. 833], [17, S.11off]
Nickel(II)-Komplexe (via Schiff base von 8-aminoquinolin)	gelb-grün	orange	170-250	irreversibel	[19, S. 316]
Kupfer Komplexe (via Schiff base von 8-aminoquinolin)	Grün	braun	45-135	reversibel	[19, S. 316-317]
Kupfer Komplexe (via Schiff base von 8-aminoquinolin)	hellbraun	orange	45-165	reversibel	[19, S. 316-317]
Ni(dpm)Cl₂	Orange	lila	220/130	reversibel	[15, S. 128-130]
(CH₃)CHNH₃CuCl₃	Braun	orange	51		[20, S. 2603]
Bis(Isoporpylammonium) tetrachlorocuprat(ll)	Grün	gelb	50-55		[20, S. 2610]
NiCl₂	gelb(wasserf rei), Grün in Wasser gelöst
Cu₂Hgl₄	Hellrot	Purpurbraun	67	reversibel
Bis(diethylammonium) tetrachloronickelat	Rot	blau	ca. 110	reversibel nach 2-3 Wochen mit Farbverlauf überGelb	[23]
Chromium(II)Oxide:Aluminium(II) Oxide im Verhältnis 1:9	Rot	grau	400		[24]
Tetrachloronickelat	grün-blau(in Wasser gelöst)	blau	abhängig von Verbindung
Tetraphenylarsoniumverbindung	blaßgelb	grün	179		[13]
Ag₂Hgl₄	Gelb	rot	50	reversibel	[25]
Cu₂Hgl₄	orange/rot	braun/schwa rz	70	reversibel	[24, 25]
[Co(NH₃)₆]PO₄	Gelb	blau	200	irreversibel	[26]
[Co(NH₃)₆](C₂O₄)₃	Gelb	violett	215	irreversibel	[26]
	Violett	braun	250-270	irreversibel
	Braun	schwarz	320-350	irreversibel
VO₂ Vanadiumdioxid	Durchsichtig	spiegelnd	68	reversibel
[Ni(phen)₃][CuCl₄]*₃,₅ H₂O	gelb-orange	grün	250	irreversibel	[27]

Weitere geeignete Indikatoren sind reversibel und irreversible thermochrome Metallkomplexe Schiffscher Basen, wie sie in der Literaturstelle [19] offenbart sind.
Erfindungsgemäß bevorzugte Indikatoren können auch Nanopartikel sein. Nanopartikel zeichnen sich durch eine Größe kleiner als 500 nm aus. Ebenso können Schichten mit porösen Topographien mit Nanopartikeln versehen werden, wenn der Durchmesser der Nanopartikel kleiner als der Porendurchmesser ist.
Die Nanopartikel können auch mit einer Indikatorsubstanz (z. B.: thermochrom) beschichtet sein.
Hinweise zu geeigneten Nanopartikeln finden sich beispielsweise an folgenden Stellen:

• http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/081014-Nanograde-su/ http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/am800058x
• Schwiertz et al 2009 Ag2Hgl4 Nanoparticles Größe: 50-160 nm Farbwechsel gelb zu orange bei 25-40 °C
• Kronstein et al 2013: Irreversible thermochromism in copper chlorise imidazolim nanoparticle networks CuCl4_INN Irreversibler Farbwechsel von grün zu gelb bei ca. 180°C
• Carotenuto, Nicolais 2009: Reversible Thermochromic nanocomposites based on thilate-capped silver nanoparticles embedded in amorphous polystyrene Dodecyl-thiolate capped silver nanoparticles CH3(CH2)11SAg Reversibler Farbwechsel von braun zu gelb bei ca. 133 °C Modifizierung möglich, sodass Farbwechsel bei ca. 160 °C -> HO(CH2)11Sag
• Traiphol et al 2009: Stable polydiacetylene/ZnO nanocomposites with two-steps reversible and irreversible thermochromism PDA/ZnO nanocomposite Partikelgröße: ZnO bei 20-200 nm; Composite PCDA/ZnO bei 40-270nm Farbwechsel: Reversible von blau zu lila zw. 90-100 °C in „aqueos suspension“ Oder PVA (Polyvinyl alcohol) Matrix; Irreversible zu Rot bei ca. 145 °C in PVA Matrix
• Savchuck et al 2013_thermochromic upconversion nanoparticles for visual temperature sensors Tm,Yb:GdV04@SiO2 core-shell nanoparticles
• Seydouri, Binions 2017: Sol-gel approaches to thermochromic vanadium dioxide coating for smart glazing application Farbwechsel um die 68°C
• Uhlenhaut et al 2006: Color switching in gold-polysiloxane elastomeric nanocomposites Irreversibler Farbwechsel nach ein paar Minuten bei 220-240 °C Farbwechsel abhängig von Composite-Material

Der Fachmann wird auf Basis seines Fachwissens und z. B. der genannten Textstellen in der Lage sein, geeignete Nanopartikel für seine Zwecke auszuwählen.
Weitere geeignete bevorzugte Indikatoren im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere auch organische Verbindungen (Farbstoffe und Pigmente).
Organische Verbindungen, die bei Beaufschlagung mit erhöhter Temperatur oder anderen Medienbelastungen ihren Zustand ändern, können als Indikatoren in elektrischen Isolationsbeschichtungen eingesetzt werden. Ziel der Auswahl war hier eine bevorzugte Zersetzungstemperatur im Bereich von 180 bis 300 °C. Grundsätzlich ist der Einsatz bis zur Erweichung/thermischen Zersetzung des Grundwerkstoffs des elektrischen Bauteils denkbar.
Die Zersetzung der organischen Verbindung kann dabei durch Zufuhr von Wärme, Strom, UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung erfolgen, die zum Bindungsbruch innerhalb der organischen Moleküle führen. Beim Erhitzen an Luft werden oft H₂O und CO₂ gebildet (Freisetzen von CO₂ beim Erhitzen an der Luft: Decarboxylierung, Freisetzen von H₂O beim Erhitzen an der Luft: Dehydratisierung).
Organische Farbstoffe sind oft im Anwendungsmedium löslich, Pigmenten liegen partikulär vor und sind praktisch unlöslich.

Geeignete und bevorzugte organische Verbindungen als Indikatoren sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt. Tabelle 3: Fluoreszenzfarbstoffe, ihre Schmelzpunkte und Löslichkeit.

	Schmelzpunkt	Löslichkeit
Xylenolorange	210 °C	Wasser
Nilrot (?)	203-205 °C	-
4',6-Diamidin-2-phenylindol (DAPI)	-330 °C	Wasser
Fluorescein	314 - 316 °C	DMSO/Ethanol
Rhodamin B	> 245°C	Ethanol / Benzol
Pyronin G*	250-260°C

*) Gruppe der Xanthenfarbstoffe Tabelle 4: Thermisch degradierbare organische Verbindungen.

Verb.: Summenformel	Verbindung: Name	Zersetzungstemperatur	Farbe vorher
CH₄N₂O	Harnstoff	bei ca. 130-135 wird Ammoniak frei; bei 200-300 entsteht Cyanursäure	farblos
CH₄N₂S	Thioharnstoff	176-178	weiß
C₂H₂O₄	Oxalsäure	ab 157, Wasserfrei ab 189	farblos
C₂H₅NO₂	Glycin	ab 230	weiß/farblos
C₃H₇NO₂	Alanin	295-297	farblos, weiß bis gelblich
C₄H₄O₄	Maleinsäure	ab 135	weiß
C₄H₆AS₆CU₄O₁₆	Schweinfurter Grün / Kupfer(II)-arsenitacetat	???	grün
C₄H₆N₄O₃	Allantoin	225-236	farblos
C₆H₆O₆	Aconitsäure	135 (cis) 194-196 (trans)	farblos
C₆H₈O₆	Ascorbinsäure	192	farblos
C6H₁₀O₈	Schleimsäure	220-225	farblos
C₆H₈O₇	Zitronensäure	ab 175	weiß
C₇H₆O₅	Gallussäure	251	farblos bis schwach gelb
C₉H₁₁NO₃	Tyrosin	ab 297 bzw. 342	farblos
C₂₀H₁₄N₄	Porphin	ab 360	dunkelrot
C₁₆H₁₈N₃SCl	Methylenblau	ca. 180	dunkelblau
C₂₀H₁₉N₃*HCl	Fuchsin/Magenta	270	grün-gelb
C₂₂H₂₃N₃O₉	Aluminon	220-225	dunkelrot

Tabelle 5: Thermisch degradierbare organische Pigmente.

Organische Pigmente:	Farbe	Summenformel	Zersetzungtemperatur	Schmelztemperatur
Phthalcyaningrün	grün	CuC₃₂C1₁₆-nHnN8 mit n =(0,1,2)	ab 350	480
Phthalcyanin	blau			> 300
Indigo	blau			300
Chinacridon	rot-violett
Fluorescein	Rot		314-316
Kupferphthalocyanin	blau	C₃₂H₁₆CuN₈		>150
Brillantgelb	gelb		300

Denkbar ist darüber hinaus, zum Nachweis einer Temperaturbelastung der Isolationsbeschichtung Fluoreszenzfarbstoffe einzusetzen, die thermisch degradierbar sind.
Zu thermisch degradierbaren Fluoreszenzfarbstoffen zählen z.B.:

• Cumarin-Farbstoffe
• Cyanine
• Flavine
• Luciferine
• Phycobiline
• Rhodamine
• Safranine

Teil der Erfindung ist auch die Verwendung einer Indikatorschicht wie weiter oben definiert zum Nachweis einer thermischen und/oder mechanischen Belastung und/oder der medialen Belastung eines passiven elektrischen Bauteils jeweils wie in einem der vorangehenden Ansprüche definiert.
Ebenfalls Teil der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines passiven elektrischen Bauteils mit einer Indikatorschicht und darauf angeordneten kohlenstoffhaltigen Beschichtung wie oben als erfindungsgemäß oder erfindungsgemäß bevorzugt definiert, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines passiven elektrischen Bauteils,
b) Anordnen einer Indikatorschicht auf dem Substrat, bevorzugt mittels eines nasschemischen Verfahrens, und
c) Abscheiden einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung auf der Indikatorschicht.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren im Schritt c) in einem Hochfrequenzplasmapolymerisationsreaktor unter Niederdruck durchgeführt, wobei das Substrat als Kathode geschaltet ist.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die erfindungsgemäßen passiven elektrischen Bauteile mit der entsprechenden Beschichtung herzustellen.
Insgesamt hat die Erfindung - wie zum Teil schon oben angedeutet - eine Vielzahl von Vorteilen:

Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, den Kontakt passiver elektrischer Bauteile mit einer Isolationsbeschichtung mit schädlichen Umgebungseinflüssen während der Herstellung oder des Gebrauchs nachzuweisen. Anders als beim Einbringen lokaler Sensoren erfolgt der Nachweis auf der gesamten Oberfläche des Bauteils. Eventuell nur lokal auftretende Temperaturüberschreitungen (»Hot Spots«) können auf dieses Weise zuverlässig erkannt werden.

Die Indikatoren erfordern keine äußere Ansteuerung, wie sie z. B. für Temperatursensoren benötigt wird. Dabei müssen die Sensordaten kontinuierlich erfasst (und ausgewertet) werden, um ein Überschreiten erlaubter Umgebungsbedingungen zu erkennen. Die erfindungsgemäßen Indikatorschichten zeigen eine Überschreitung direkt und unabhängig von einer permanenten Überwachung und bleiben nach der Indikation dauerhaft sichtbar, wenn es sich um irreversible Änderungen des Indikators handelt.
Überwachung der Bauteile im Betrieb ist durch den Einsatz einer farbmetrischen Messtechnik möglich, die außerhalb des zu überwachenden Bauteils, entweder in Sichtkontakt oder per Kopplung über ein Glasfaserkabel, betrieben werden kann, um zur Vermeidung von Folgeschäden einen möglichen Farbumschlag zu registrieren und anzuzeigen. Im Entwicklungsprozess lässt sich die Technologie problemlos mit anderen Testaufbauten kombinieren, da keine weiteren Komponenten eingebracht werden müssen, die andere Untersuchungen beeinträchtigen.
Werden Indikatoren mit einem irreversiblen Änderungsprozess eingesetzt, kann die Indikatorschicht insbesondere Hinweise auf notwendige Wartung bzw. Funktionsüberprüfung geben. Dies ist z. B. bei Beschichtungen in Außenbereichen möglich, die optisch geprüft werden können und bei einer erfolgten Temperaturüberlastung Wartungsmaßnahmen erfordern, um eine Außerbetriebnahme zu verhindern.
Mit geeigneten Indikatoren sind auch Alterungseffekte wie z. B. Luftzutritt, Luftfeuchtigkeit und dauerhafte Temperaturüberlastung bzw. -belastung anzeigbar.
Bei reversiblen Änderungen kann die Indikatorschicht zur optischen Überwachung von Anlagen bzw. Anlagenkomponenten eingesetzt werden, wobei die Überwachung auch im laufenden Betrieb erfolgen kann.
Literaturverzeichnis

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Beispiele
Messbeispiele
Messbeispiel 1 Durchführung der XPS-Messung in 80 nm Schichttiefe
Eine Oberflächenanalyse mittels Photoelektronenspektroskopie (XPS) erfasst die äußersten ca. 10 nm einer Festkörperoberfläche. Um die chemische Zusammensetzung des Probenmaterials in einer Tiefe von 80 nm mit XPS analysieren zu können, wird die Oberfläche durch lonenstrahl-Beschuss abgetragen. Für diesen Zerstäubungsprozess werden üblicherweise Argon-Ionen mit einer Energie von 3 keV eingesetzt. Die Zeitdauer, die erforderlich ist, um die obersten 80 nm einer Probenoberfläche abzutragen, hängt von der gerätespezifischen Zerstäubungsrate ab. Diese wird jeweils durch Vergleichsmessungen an entsprechenden Referenzproben experimentell bestimmt. Der typische Druckbereich für derartige Sputterprozesse liegt im Bereich von 1*10^-5 bis 1*10^-6 mbar.
Messbeispiel 2 Prüfung der elektrischen Isolationseigenschaften:
Teilentladungsmesstechnik:
→ Zerstörungsfreie Prüfmethode zur Bestimmung der elektrischen Isolationswirkung von Beschichtungen (Beispielhaft für das Gerät DWX-05 vorzugsweise an Spulengeometrien bzw. Elektromotoren)
Technik:
Das verwendete Gerät (DWX-05) ist im Wesentlichen eine Hochspannungsquelle, die in der Lage ist, einen Hochspannungspuls in sehr kurzer Zeit (kürzer als 1 msek - mit sehr großer Flanke) zu generieren bzw. in das Bauteil „einzuprägen“. Dabei wird das zu messende Bauteil (vorzugsweise eine Spule oder ein Motorenteil) zum Einen mit der Spannungsquelle und zum anderen mit der Messelektronik verbunden. Darüber hinaus ist am Gerät eine RF-Antenne (inkl. Bandfilter) angeschlossen, welche das Auftreten von RF-Entladungen (im zeitlichen Zusammenhang) mit dem eingeprägten Spannungspuls misst. Wichtig ist hierbei, dass sich die Antenne und die Spule nicht leitend berühren. Die Messung erfolgt nun ab einer voreingestellten Spannung und wird fortlaufend um einen bestimmten Wert gesteigert (typisch 5% der zuletzt geprüften Spannung) bis eine TE-Entladung festgestellt wird oder die erforderliche End-Spannung erreicht wird. Als Messung dient zum einen die Antwort des Systems (der Spule) selbst (Fall A) sowie zum Anderen die Detektion von RF-Entladungen (Fall B), welche charakteristisch sind und kurz vor dem Auftreten eines Überschlages zwischen zwei Windungen oder zum Zahn beobachtet werden. Die Messungen werden für jeden Spannungswert mind. 3-fach durchgeführt und aus den Endwerten wird ein Mittelwert ermittelt, um ein statistisch gesichertes Ergebnis zu erhalten. Bei großen Schwankungen der End-Messwerte, ist die Probe ggf. auf Homogenität zu kontrollieren bzw. der ermittelte Messwert nur mit Einschränkungen zu verwenden.
Die vorab erlaubten Abweichungen der Messsignale vom Sollzustand bilden damit sozusagen die Prüfkriterien ab. Maximal mögliche Spannungswerte am vorhandenen Gerät sind 5 kV.
Die Analyse der Messsignale erfolgt für diese Messmethode auf zwei Wegen (ggf. auch beide Kriterien gleichzeitig):

1. Abgleich mit einem Referenzsignal (Aufgenommen an einem unverletzten Bauteil bzw. in einem niedrigeren Spannungsbereich in dem die Isolierung definitiv intakt ist - Beurteilung aufgrund des Kurvenverlaufs) - Abweichungen von mehr als +20 % oder -4 % des detektierten Antwortsignals von der skalierten Kurve des Referenzsignals werden als „defekte“ Isolierung für den jeweils geprüften Spannungswert angesehen bzw. ein Zusammenbruch des Antwortsignals (durch Kurzschluss) → Zusammengenommen Fall (A)
2. Messung der RF-Entladung und Abgleich mit dem „Grundrauschen“ des RF-Signals - Bei Abweichungen bzw. dem Auftreten von deutlichen RF-Signalen (zeitlich korreliert mit dem Spannungsverlauf des eingeprägten Signals) wird ein Teilentladung detektiert und damit die Beschichtung als ab diesem Spannungswert für unzureichend bestimmt - Zusätzlich empfiehlt sich die Verwendung des Laplace-Kriteriums 15/0 bei der automatisierten Auswertung. → Zusammengenommen Fall (B)

Anforderung an Proben:

- Geometrie in Form einer Spule (Substrat Metall)
- ◯ Mind. Anforderung an Induktivität - aktuell mind. 10 Windungen, gerätespezifischer Wert
- Vollflächige Beschichtung in gleichbleibender Güte auf einem Bauteil bzw. der einzelnen Bauteile untereinander bei einer „Batchkontrolle“
- Zugänglichkeit der Kontaktierung sowie des Zahns (bei eingebautem Zustand) bzw. Bereiche an Zahn und Spule die ohne Beschichtung kontaktiert werden können.

Weitere Informationen zu dieser Testmethode finden sich in: Ein neues Verfahren zur automatischen Gewinnung der Teilentladungseinsetz- und Aussetzspannung an elektrischen Wicklungen nach IEC TS 60034-18-41 und IEC TS 61934 - aus Konferenz: Internationaler ETG-Kongress 2009 - Fachtagung 3: Direktantriebe in Produktionsmaschinen und Industrieanlagen - Generatoren und Antriebe in regenerativen Kraftwerken / Fachtagung 4: Diagnostik elektrischer Betriebsmitte110/27/2009 - 10/28/2009 at Düsseldorf, Germany
Messbeispiel 3
Durchführung der Prüfung auf Beständigkeit gegenüber Natronlauge (mediale Beständigkeit)
Die Prüfung auf Beständigkeit gegenüber Natronlauge für bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungsvarianten wird wie folgt durchgeführt:

Die erfindungsgemäß ausgeführte Beschichtung wird für die Dauer von 20 Minuten mit 1 mol/l NaOH-Lösung bei Raumtemperatur in Kontakt gebracht. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man einen Tropfen der Natronlauge auf die Oberfläche gibt. Anschließend wird die Natronlauge-Lösung entfernt und so gereinigt, dass keine Reste auf der zu prüfenden Oberfläche verbleiben. Schließlich wird optisch, das heißt mit dem unbewaffneten Auge (ohne optische Hilfsmittel) geprüft, ob ein Ätzangriff stattgefunden hat. Ist die geprüfte Oberfläche unverändert, hat sie den Belastungstest bestanden.

Messbeispiel 4 Belastungstest für die Durchschlagsfestigkeit
Spulen / Proben wurden wie in Ausführungsbeispiel 1 hergestellt. Ein Ofen wurde auf 300 °C erwärmt und die Spulen darin platziert und für 500 Std. darin gelagert. Nach der Auslagerung wurden die Proben entnommen und innerhalb einer Std. auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wurden die Proben nach Messbeispiel 2 geprüft. Es wurde ein maximales Absinken der Durchschlags-Festigkeit um 15 % im Vergleich zum Ausgangszustand vor der Auslagerung beobachtet.
Messbeispiel 5 Nanoindentationsmessung
Die Nanoindentierung ist eine Prüftechnik, mit der über eine feine Diamantspitze (dreiseitige Pyramide [Geometrie nach Berkovich], Radius wenige 100 nm) die Härte von Oberflächenbeschichtungen ermittelt werden kann. Es wird hierbei entgegen der makroskopischen Härtebestimmung (wie z. B. Vickershärte) nicht die durch eine Normalkraft eingeprägte verbliebene Indentierungsmulde vermessen, sondern eine Eindringtiefe abhängige Querschnittsfläche des Nanoindentors angenommen. Diese tiefenabhängige Querschnittsfläche wird über eine Referenzprobe mit bekannter Härte ermittelt (i.d.R. hochreines Quarzglas).
Die Nanoindentierung verwendet während der Aufbringung der Normalkraft eine empfindliche Auslenkungssensorik (kapazitive Platten), mit der die Eindringtiefe bei steigender und wieder sinkender Normalkraft präzise gemessen werden kann - ganz anders als bei der klassischen Vorgehensweise -. Die Normalkraft-Eindringtiefe-Kurve gibt während der Anfangsphase der Entlastung in situ die Steifigkeit der Probe an. Mithilfe der von der Referenzprobe bekannten Querschnittsfläche des Nanoindentors kann so das Elastizitätsmodul und die Härte der Probe bestimmt werden. Die maximale Prüfkraft für die Nanoindentierung liegt in der Regel unterhalb von 15mN.
Zur Messung der reinen Eigenschaften der Beschichtung ohne Beeinflussung durch das Substrat wird eine Faustregel von 10 % der Schichtdicke verwendet. Tiefer gehendere Eindringkurven beinhalten einen Einfluss durch das verwendete Substrat. Bei steigenden Eindringtiefen von über 10 % der Schichtdicke nähern sich die gemessenen Werte für Elastizitätsmodul und Härte sukzessive an die des Substrats an. Die beschriebene Auswertung nach diesem Messverfahren wird nach Oliver & Pharr benannt [Oliver].
Zur einfacheren Variation der Eindringtiefen bei verschiedenen Lasten wird das sogenannte multiple Be- und Entlastungsverfahren, kurz Multiindentierungsverfahren, verwendet. Hierbei werden auf einer festen Stelle segmentweise Be- und Entlastungen vorgenommen. Die lokalen Belastungsmaxima werden dabei kontinuierlich gesteigert. Auf der festen Stelle können so tiefenabhängige Werte des Elastizitätsmoduls und der Härte ermittelt werden. Zusätzlich werden aus statistischen Zwecken auf einem Messfeld verschiedene unbeeinflusste Stellen der Probe ebenfalls angefahren und getestet. Durch Vergleich zwischen Einzelindentierung und Multiindentierungsverfahren haben Schiffmann & Küster nachgewiesen, dass es nur sehr kleine Abweichungen zwischen den ermittelten Werten der beiden Verfahren gibt [Schiffmann]. Zur Kompensation werden längere Haltezeiten zur Verhinderung von Kriecheffekten der Piezoscanner vorgeschlagen [Schiffmann].
Bei den gemessenen Proben der im Text beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde mit 10 Multiindents pro Stelle mit bevorzugt maximal 5 mN, weiter bevorzugt kleiner 2 mN noch weiter bevorzugt kleiner 1 mN gemessen. Die Multiindents haben lokale Kraftmaxima, die dann auf 20 % der Kraft reduziert wurden. Diese Entlastungskurven wurden in der Form einer Tangente von 98 bis 40 % ausgewertet.
Es wurden 10 Messpunkte für die Statistik und Homogenität pro Probe getestet. Die Entfernung der Messpunkte betrug 50 µm, um Einflüsse wie beispielsweise plastische Deformationen der zu prüfenden Schicht durch vorherige Messungen zu vermeiden.
Die Schichtdicken der Proben welche zur Bestimmung der Schichthärten herangezogen wurden, betrugen jeweils mehr als 1 µm. Für die Einhaltung der Faustformel für die Eindringtiefe von max. 10 % der Schichtdicke sind die Entlastungskurven bei den Multiindents bis zur maximalen Kraft von maximal 5 mN, weiter bevorzugt kleiner 2 mN noch weiter bevorzugt kleiner 1 mN zulässig für die Auswertung. Bei geringeren Schichtdicken ist auf die zugehörige max. lokale Kraft zu achten, um die 10 % - Regel nicht zu überschreiten.
Die maximale Kraft für die Eindringtiefe und die korrespondierende Entlastungskurve ist also bevorzugt maximal 5 mN, weiter bevorzugt kleiner 2 mN, abhängig von der Schichtdicke von ca. 1000 nm ist sie noch weiter bevorzugt kleiner 1 mN.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)
Eine Aluminiumspule wurde nasschemisch gereinigt, gebeizt und 5 bis 60 Minuten in einem schwefelsäure-basierten Elektrolyten anodisiert. Anschließend wurde eine ethanolische Lösung von Fluoreszein an der Oberfläche aufgebracht (Sigma-Aldrich Produkt-Nr. F7505, Konzentration 5 g/L) und bei 50 °C an der Luft getrocknet. Nachfolgend wurde die so entstandene Indikatorschicht plasmapolymer wie folgt beschichtet:
Beschichtungsprozess Niederdruckplasma
Die abgeschiedenen Plasmapolymerschichten auf Basis eines anorganischen Matrixgerüsts (bevorzugt siliziumbasiert) haben einen vergleichsweise hohen organischen Charakter, der, im Vergleich zu SiOx-Schichten, eine höheren crack-onset-strain zur Folge hat. Die Plasmaschichten werden bevorzugt im Vakuum bei ca. 10^-2 mbar mit Hilfe einer Hochfrequenz-Plasmaentladung (PE-CVD) abgeschieden. Hierbei wird ein siliziumhaltiges Arbeitsgas fragmentiert. Die entstandenen Fragmente schlagen sich als dünne Schicht auf dem Substrat nieder. Um die Dichtigkeit der Schicht zu erhöhen, wird mit einem ionengestützten Verfahren gearbeitet, d.h. die teilweise ionisierten Fragmente werden unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes in die wachsende Schicht eingeschossen. Die Verwendung dieser Technologie gewährleistet die Übertragbarkeit der Beschichtung auf die komplexe Spulengeometrie.
Beschichtungsprozess Niederdruckplasma

• Die Plasmabeschichtung wird im Vakuum mit einem Reaktor der Größe von 360L bei ca. 10^-2 mbar durchgeführt. Eine Aluminiumspule mit 14 Windungen wird auf eine Länge von 18 cm auseinandergezogen und auf zwei Koppelbleche (200 mm x 25 mm x 1 mm) gestellt. Diese Bleche liegen auf einer Isolatorplatte (0,2 mm), die wiederum auf der eigentlichen Plasmaelektrode liegt. Durch diesen Aufbau wird während der Plasmabeschichtung auftretendes Arcing unterbunden. Die Kapazität der Koppelbleche beträgt jeweils ca. 68 pF. Bei der verwendeten Frequenz der Hochfrequenz von 13.56 MHz ergibt sich ein Widerstand pro Koppelblech von 171 Ohm.
• Zu Beginn des Beschichtungsprozesses wird 3 Minuten lang eine Plasmaaktivierung mit Sauerstoff durchgeführt. Dieser Schritt führt zu einer Verbesserung der Schichthaftung. Im zweiten Schritt wird eine Primerschicht abgeschieden. Hierzu wird zum Sauerstoff ein Fluss von 5 sccm Hexamethyldisilxan (HMDSO)) in den Reaktor eingelassen. Die Prozesszeit beträgt 1 Minute. Der eigentliche Abscheideprozess der Isolationsbeschichtung wird bei einem HMDSO-Fluss von 20 sccm durchgeführt. Die Prozesszeit liegt bei 2 Stunden. Um die Oberfläche der beschichteten Spule zu hydropilieren, kann abschließend noch eine weitere Plasmaaktivierung mit Sauerstoff durchgeführt werden. Die Plasmaleistung und der Sauerstofffluss sind bei allen Prozessschritten konstant und liegen bei 45 W bzw. 60 sccm.
• Die resultierende Schicht hatte eine Zusammensetzung (gemessen nach Messbeispiel 1) von C: 32 Atom-%, O: 46 Atom-%, Si: 22 Atom-%.
• Die Nanoindentationshärte gemessen nach Messbeispiel 5 betrug 1,8 GPa ± 0,2 GPA.
• Die beschichtete Spule wurde lokal bezüglich der Schichtdicke und der Isolationswirkung lokal charakterisiert (Durchschlagsfestigkeit gemessen nach DIN EN 60243-1 und DIN EN 60243-2).. Hierbei ergaben sich folgende Werte:

Fläche der Windung (Schichtdicke ca. 4,5 µm)	Außenkante (Schichtdicke ca. 7,0 µm)	Innenkante (Schichtdicke ca. 11 µm)
470 V	610 V	640 V
470 V	540 V	720 V
450 V	620 V	670 V
Ø 463,3 V	Ø 590,0 V	Ø 676,7 V

Alternativ kann der Beschichtungsprozess mittels Plasma auch durch das Anlegen einer sogenannten BIAS-Spannung unterstützt werden. Vorteile sind hierbei die Möglichkeit zur Erhöhung der Schichtabscheiderate sowie die Möglichkeit zur Generierung einer dichteren Plasmapolymermatrix.
Mit der plasmapolymeren Beschichtung (kohlenstoffhaltige Deckschicht) zeigt das beschichtete Substrat unter UV-Licht intensive Fluoreszenz. Nachfolgend wurde das Bauteil für 30 Minuten mit 200 °C thermisch belastet. Danach zeigte sich unter UV-Licht keine Fluoreszenz mehr.
Ausführungsbeispiel 2 (nicht erfindungsgemäß)
An Silicagel gebundener Indikator zum Wassernachweis (Kieselgel mit Indikator (Orange-Gel), Merck Bestellnummer 101969) wird mit Hilfe einer Pulvermühle auf eine durchschnittliche Partikelgröße von 10 µm zerkleinert. Anschließend wird der Indikator einem Pulver zur Aufbringung einer Pulverbeschichtung (ES-1014-1 - EPOXI CREMA RAL 1014 „MESTRAL“, Fa. Adapta Powder Coatings) zur elektrischen Isolation beigegeben und auf ein Aluminiumblech aufgebracht. Nachfolgend erfolgt die Beschichtung mittels einer plasmapolymeren Deckschicht, wie im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
Bei korrekter, geschlossener plasmapolymerer Beschichtung behält das Beschichtungssystem über einen Zeitraum von mindestens 2 Monaten bei Lagerung bei 23 °C und 50% relativer Feuchte die ursprüngliche blaue Farbe bei. Sofern die plasmapolymere Beschichtung nicht geschlossen aufgebracht wird, führt eine Lagerung bei 23°C und 50% relativer Feuchte nach 2 Monaten zu einem beginnenden Farbumschlag von blau zu rosa.
Ausführungsbeispiel 3 (nicht erfindungsgemäß):
Bestimmung des Anteils der verseifbaren Gruppen am Kohlenstoff
1. Die Durchführung der Bestimmung erfolgte analog zu folgender Literaturstelle:
„Practical Surface Analysis" - Second Edition 1990, Volume 1 „Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy", edited originally by D. Briggs and M.P. Seah, John Wiley & Sons, z.B. ISBN 0-471-92081-9 - darin Kapitel: Appendix 3: Data Analysis in XPS and AES, A 3.7 The analysis of overlapping spectral features → A 3.7.9 Curve synthesis and curve fitting, Seite 572 ff.
Abweichend von der beschriebenen Vorgehensweise wurden die Flächenanteile im Fit der C-N- (wenn zutreffend durch N-Anteil in der Beschichtung) und der (C=O)- N bzw. (C=O)-O -Anteile (verseifbaren Anteile) durch einen Peak berücksichtigt. (in Relation zueinander gleich gehalten -1:1)
2. Ergebnisse
Nach der oben beschriebenen Methode wurde die plasmapolymere Beschichtung aus Ausführungsbeispiel 1, die Sol-Gel-Beschichtung aus Ausführungsbeispiel 4 sowie eine aCH-Schicht hergestellt in einem plasmapolymeren Beschichtungsprozess ausgewertet. Am Beispiel der Sol-Gel-Schicht wird diese Auswertung näher veranschaulicht:

Laut XPS-Messung ergibt sich an der Oberfläche der Sol-Gel-Schicht eine Konzentration von 32,2 Atom-% O, 3,6 Atom-% N, 56,6 Atom-% C und 7,6 Atom-% Si. Auf Basis des C1s-Peaks wurde nach den verschiedenen Spezies angefittet bzw. entfaltet (aufgelöst) (vgl. 1). Die aufgelösten Peaks stellen sich dabei wie folgt dar:

Name	Pos.	FWHM	%Fläche
C-C	285,0	1.200	55.5
C-O	286.7	1.200	19.4
(C=O)- N bzw. (C=O)-O (verseifbare Anteile)	289.4	1.400	11,0
C=O	287.8	1.189	3.1
C-N	285.8	1.190	11,0

Der Anteil der verseifbaren Bestandteile ist mit (C=O)- N bzw. (C=O)-O (siehe auch 2) bezeichnet.
Hieraus ergibt sich, dass für die Sol-Gel-Schicht 11 Atom-% der Kohlenstoffatome als Bestandteil von verseifbaren Gruppen vorlag. Analoge Messungen für die plasmapolymere Beschichtung aus Ausführungsbeispiel 1 ergaben, dass 1,5 Atom-% der Kohlenstoffatome in entsprechenden Gruppen enthalten sind, während für die plasmapolymere aCH-Schicht, die als drittes Beispiel untersucht wurde, 3 Atom-% der Kohlenstoffatome in verseifbaren Gruppen enthalten waren.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, scheint es so zu sein, dass die Schichten mit den an der Oberfläche vorhandenen Kohlenstoffanteile aufgrund der geringen Anteile durch Ammoniak angreifbarer Gruppen an der Oberfläche - aber auch durch das in der Tiefe der Beschichtung vorhandene Backbone-Netzwerk - keine Zerstörung erfahren und eine gute Beständigkeit gegenüber korrodierenden Medien aufweisen.

Claims

Passives elektrisches Bauteil mit einer Indikatorschicht und darauf angeordnet einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung eine plasmapolymere Beschichtung ist mit einem Kohlenstoffanteil gemessen in einer Tiefe von 80 nm entfernt von der von der Indikatorschicht abgewandten Seite der Beschichtung von 50 bis 100 Atom-%, gemessen mittels XPS und bezogen auf die mit XPS erfassten Atome, wobei die Indikatorschicht Indikatoren umfasst oder daraus besteht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus thermochromen Salzen und thermochromen Komplexen, und wobei zwischen der Indikatorschicht und der plasmapolymeren Schicht eine Zone aus vernetztem Öl oder vernetztem Silikonöl vorhanden ist, wobei die Indikatorschicht ein Trägermaterial (Matrix) umfasst, ausgewählt aus der Gruppe der keramischen Schichten, auf Basis von Al₂O₃ oder eine Eloxalschicht, wobei die Oberfläche des Bauteils aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung umfassend Aluminium besteht, und wobei das Bauteil eine Spule ist.
Passives elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Indikatorschicht, einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Oberfläche des elektrischen Bauteils, die mit der Indikatorschicht bedeckt ist, besitzt.
Passives elektrisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Indikatorschicht ein vernetztes und/oder unvernetztes Öl und/oder vernetztes und/oder unvernetztes Silokonöl enthält.
Passives elektrisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung - Silicium umfasst und/oder - eine Rissdehnung von ≥ 2,5 % aufweist und/oder - eine mittels Nanoindentation zu messende Härte im Bereich von 2 bis 6 GPa, vorzugsweise 3,1 bis 6 GPa aufweist und/oder - durch Messung mittels XPS gemessen in einer Tiefe von 80 nm entfernt von der von der Indikatorschicht abgewandten Seite der kohlenstoffhaltigen Beschichtung bestimmbare Anteile umfasst von 5 Atom-% Silicium und/oder 30 bis 40 Atom-% Sauerstoff aufweist, bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome und/oder - eine Dicke von 100 nm bis 100 µm bevorzugt 200 nm bis 50 µm und weiter bevorzugt 500 nm bis 10 µm besitzt.
Passives elektrisches Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Indikatorschicht und die kohlenstoffhaltige Beschichtung gemeinsam eine Durchschlagsfestigkeit gemessen nach DIN EN 60243-1 und DIN EN 60243-2 von ≥ 100 V gemessen bis zu einem maximalen Stromfluss von 3 mA besitzen.
Passives elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Bauteil nach einer Auslagerung bei 300 °C für 500 Stunden in einem Umluftofen bei trockener Umluft und danach folgender Abkühlung auf 20 °C innerhalb einer Stunde wenigstens 80 % der Durchschlagsfestigkeit vor der Auslagerung besitzt.
Passives elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Bauteil im Bereich der kohlenstoffhaltigen Schicht gegenüber einer 1 mol/L NaOH-Lösung für eine Dauer von 20 Minuten bei Raumtemperatur keinen optisch feststellbaren Ätzangriff aufweist.
Verwendung einer Indikatorschicht wie in einem der Ansprüche 1, 2, 3, oder 5 definiert zum Nachweis einer thermischen und/oder mechanischen und/oder chemischen Belastung eines passiven elektrischen Bauteils wie in einem der vorangehenden Ansprüche definiert.
Verfahren zu Herstellung eines passiven elektrischen Bauteils wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines passiven elektrischen Bauteils, b) Anordnen einer Indikatorschicht auf dem Substrat, bevorzugt mittels eines nasschemischen Verfahrens, c) Abscheiden einer kohlenstoffhaltigen Beschichtung auf der Indikatorschicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt c) in einem Hochfrequenzplasmapolymerisationsreaktor bevorzugt unter Niederdruck durchgeführt wird und das Substrat als Kathode geschaltet ist.