Leitende Werkstoffe in der Elektrotechnik

Ein guter Leiterwerkstoff muss mehr können als nur Strom leiten. Er soll sich biegen, löten oder schweißen lassen, darf nicht korrodieren, soll bezahlbar und verfügbar sein und manchmal auch einen ganz bestimmten Widerstand haben. Deshalb gibt es nicht den einen besten Leiter, sondern für jede Aufgabe einen passenden. Die Grundlage für den Vergleich ist der spezifische Widerstand bzw. die Leitfähigkeit.

Drei Kennwerte für den Vergleich

Elektrisch beschreiben drei Werte einen Leiterwerkstoff:

• der spezifische Widerstand ρ in Ω·mm²/m – Widerstand eines Drahtes von 1 m Länge und 1 mm² Querschnitt bei 20 °C,
• die Leitfähigkeit κ = 1/ρ in m/(Ω·mm²) – derselbe Sachverhalt, nur als Kehrwert,
• der Temperaturbeiwert α in 1/K – um welchen Bruchteil sich der Widerstand pro Kelvin Erwärmung ändert. Meist ist diese Änderung unerwünscht, ein kleines α also besser.

Dass der Temperaturbeiwert in 1/K statt 1/°C angegeben wird, ändert am Zahlenwert nichts: Ein Kelvin ist genauso groß wie ein Grad Celsius, die Kelvin-Skala beginnt nur beim absoluten Nullpunkt (−273,15 °C). Für Temperaturdifferenzen ist die Kelvin-Angabe in der Physik einfach üblich.

Kupfer – der Standard

Kupfer ist der wichtigste Leiterwerkstoff überhaupt. Es leitet nach Silber am besten (rund 58 MS/m in reiner Form), ist gut verformbar, lässt sich hervorragend löten und ist an Luft recht beständig – es bildet nur eine dünne Oxidschicht. Für Leitungen wird sauerstoffarmes Elektrolytkupfer (Cu-ETP) mit mindestens 99,9 % Reinheit verwendet, für besonders anspruchsvolle Anwendungen sauerstofffreies Kupfer (Cu-OF).

Du findest Kupfer in Kabeln, Wicklungen von Motoren und Transformatoren, Stromschienen und vor allem auf jeder Leiterplatte. Dort ist es als Folie mit typisch 18, 35 oder 70 µm Dicke auflaminiert; 35 µm entspricht der historischen Angabe „1 oz“ (eine Unze Kupfer pro Quadratfuß).

Aluminium – leicht und günstig

Aluminium leitet nur etwa 60 % so gut wie Kupfer, wiegt aber nur ein Drittel so viel. Bei gleichem Widerstand ist ein Aluminiumleiter zwar dicker, aber nur halb so schwer – deshalb bestehen Freileitungen fast immer aus Aluminium (meist mit Stahlseele für die Zugfestigkeit). Auch in Chips war Aluminium jahrzehntelang das Material für die Verdrahtung, bis es ab Ende der 1990er-Jahre durch Kupfer ersetzt wurde.

Edelmetalle: Silber und Gold

Silber ist der beste metallische Leiter, aber teuer und läuft durch Schwefelverbindungen schwarz an. Es dient vor allem als Kontaktwerkstoff in Relais und Schaltern (oft als Legierung, etwa Silber-Nickel oder Silber-Zinnoxid), in Leitpasten und in Lotlegierungen.

Gold leitet etwas schlechter als Kupfer, oxidiert aber nicht. Darum ist es der Werkstoff für zuverlässige Kontakte mit kleinem Strom: Steckverbinder, Kontaktfinger von Speichermodulen und feine Bonddrähte in IC-Gehäusen. Schon eine Schicht von Bruchteilen eines Mikrometers genügt, meist über einer Nickel-Sperrschicht.

Lote und Oberflächen auf der Platine

Bauteile werden mit Weichlot verbunden, einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt. Seit der RoHS-Richtlinie ist bleifreies Lot Standard, typisch SAC305 (96,5 % Zinn, 3 % Silber, 0,5 % Kupfer) mit etwa 217–220 °C Schmelzbereich. Das früher übliche Zinn-Blei-Lot (Sn63Pb37) schmilzt schon bei 183 °C und ist heute nur noch in Ausnahmen erlaubt. Wie man damit arbeitet, zeigt Löten.

Blankes Kupfer würde an der Luft oxidieren und schlecht lötbar werden. Die offenen Pads einer Leiterplatte erhalten deshalb eine Oberflächenveredelung:

Widerstands- und Sonderwerkstoffe

Manchmal soll ein Werkstoff gerade schlecht leiten, aber dafür stabil:

• Konstantan (Kupfer-Nickel) und Manganin (Kupfer-Mangan-Nickel) haben einen nahezu temperaturunabhängigen Widerstand – ideal für Messwiderstände und Shunts.
• Nickel-Chrom (Heizleiterlegierungen) hält hohe Temperaturen aus, ohne zu verzundern – für Heizdrähte, Toaster und Lötkolben.
• Kohle und Graphit leiten mäßig und vertragen Funken: Bürsten in Elektromotoren, Kohleschichtwiderstände.
• Wolfram schmilzt erst bei 3422 °C – früher der Glühfaden jeder Lampe.
• ITO (Indium-Zinn-Oxid) leitet und ist zugleich durchsichtig – die Elektrodenschicht in Touchscreens und Displays.

Ein Sonderfall ohne jeden Widerstand ist die Supraleitung, die allerdings tiefe Temperaturen braucht.

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