„WICOATEC®" – CVD Dünnschichttechnik zur Beschichtung von Metallbauteilen

Kurzbeschreibung

Die Wieland Wicoatec GmbH ist ein junges Unternehmen, das CVD-Beschichtungen im Dünnschichtsegment herstellt. Die Firma gehört zur Wieland Gruppe, einem der weltweit führenden Hersteller von Halbfabrikaten aus Kupfer und Kupferlegierungen, mit Sitz in Ulm. 

Der CVD-Prozess wurde bisher meist für Beschichtungen in der Elektronikindustrie oder bei der Beschichtung von Silizium-Wafern eingesetzt. Die Technologie war aufgrund der hohen Prozesstemperaturen >900 Grad Celsius bisher nicht auf Metallwerkstoffe wie Aluminium oder Kupfer übertragbar. Herkömmliche Metallbeschichtungsverfahren sind entweder für Strukturen mit komplexen Oberflächen nicht geeigent oder führen zu einem erhöhtem Energie- und Materialverbrauch. Beispielsweise werden zur Beschichtung von hocheffizienten Wärmeübertragern aus Aluminium und Kupfer derzeit Sol-Gel-Prozesse angewandt. Je nach Einsatzzweck können diese Aggregate trotz Beschichtung nur Standzeiten von ca. 6 Monaten erreichen und müssen dann ausgetauscht werden. Dies führt, über die Wertschöpfungskette gesehen, zu hohen Ressourcenverbräuchen sowie zu Umweltbelastungen.

Ziel des Vorhabens war die Implementierung eines neuartigen Oberflächenbeschichtungsverfahrens für Metallbauteile auf Grundlage der CVD-Technologie, namens WICOATEC®. Das neue Verfahren ermöglicht eine besonders dünne Oxidkeramik-Beschichtung von Metallbauteilen mit komplexen Oberflächengeometrien und Innenoberflächen, bei moderaten Temperaturen von ca. 350 Grad Celsius. Die so beschichteten Bauteile ermöglichen beispielsweise eine längere Lebensdauer von Wärmeübertragern oder einen höheren Wirkungsgrad von Heizgeräten.

Das Verfahren gliedert sich in die zwei Prozessschritte Vorbehandlung und CVD-Beschichtung. Im Rahmen des Umweltinnovationsprogrammes wurde der Beschichtungsprozess als innovativ und somit förderfähig angesehen. Die Verwendung der für den Beschichtungsvorgang notwendigen Organosilan-Precursoren bei niedrigeren Temperaturen gelingt durch die Umstellung von thermischer Zersetzung der Precursoren auf eine säurekatalysierte Hydrolysereaktion. Zudem werden durch den Übergang vom single pass-Konzept, d.h. von der einmaligen Durchleitung der Prozesschemikalien durch die Beschichtungskammer, zum multi pass-Konzept, d.h. der mehrmaligen Umwälzung der Prozesschemie, die Verweilzeiten verlängert und gleichzeitig Prozesschemikalien eingespart. Dieser Vorteil wird durch die Installation einer innovativen Chemiedosierung erreicht. Um die Auskondensation der Beschichtungschemie auf den Reaktorwänden zu verhindern, werden eine innovative Prozesskombination aus Querstromlüftung, Niedrigimpuls-Quellauslässen zur Strömungsgleichverteilung sowie eine Wandbeheizung der Beschichtungskammer eingesetzt.

Im Vergleich zur etablierten Technik in Form des Hochtemperatur CVD-Verfahrens konnten folgende Material- und Energieeinsparungen nachgewiesen werden: Silan: 95 Prozent, Essigsäure: 95 Prozent, Aluminium: 99 Prozent, elektrische Energie: 90 Prozent und Erdgas: 80 Prozent. Als Bezugsgröße wurde der jährliche Verbrauch herangezogen, der ansonsten mit einem konventionellen Hochtemperatur CVD-Prozess zur Beschichtung von 3.600 Tonnen Aluminiumteilen benötigt würde. Insgesamt können durch den neuartigen Prozess ca. 2.000 Tonnen CO₂-Äquivalente im Vergleich zum Stand der Technik eingespart werden. Betrachtet man zusätzlich die verlängerte Lebensdauer der mit WICOATEC® beschichteten Produkte, wie z.B. Plattenwärmeüberträger, so ergeben sich zudem große Ressourcenschonungseffekte in den Vorketten.

Das Vorhaben besitzt einen guten Modellcharakter. Die Technik ist für alle Betriebe der metallverarbeitenden Industrie interessant, die komplexe Bauteile beschichten. CVD-Verfahren werden zudem auch in anderen Bereichen wie z. B. der Halbleitertechnik und im Maschinenbau verwendet.