Technische Artikel

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Gießharze zum Vergiessen und als Schutzüberzug in der Elektronik- und Elektroindustrie

EN FR Schlagwörter: Kunstharze

Vergussmassen, welche für diese Anwendungen eingesetzt werden, können verschiedener chemischer Natur sein. Epoxide werden seit vielen Jahren in großem Umfang verwendet. Sie sind generell hart, sowie belastbar und ihr Volumenschrumpf während des Aushärtens ist eher gering. Charakteristisch sind ihre exzellenten mechanischen Eigenschaften, die gute Temperaturverträglichkeit, ihre gute Haftung auf verschiedensten Oberflächen und die ebenfals gute chemische Beständigkeit. Der Vernetzungs- oder Aushärteprozess ist generell langsam, insbesondere, wenn nur geringe Volumina miteinander reagieren. Höher reaktive Härter könnten genutzt werden, was aber eine wesentlich stärker exotherm ausfallende Reaktion und damit Stress für Bauteile und Leiterplatte mit sich bringen kann.

Polyurethan Vergussmassen sind auch nach dem Aushärten noch dehnbar und besitzen eine, wenn auch moderate, Beweglichkeit, was insbesondere dort von Bedeutung ist wo empfindliche Bauteile, z.B. Ferite auf Leiterplatten vergossen werden. Es ist einfacher die Aushärtegeschwindigkeit von PU-Gießharzen einzustellen. Aber auch Kennwerte wie Topfzeit und Gelzeit lassen sich recht einfach modifizieren um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen und so Prozesszeiten optimal zu treffen und den Arbeitsaufwand zu reduzieren. Bei PU-Massen verläuft die Reaktion weniger exotherm als bei Epoxid-Massen. Die hierbei frei werdende Wärmemenge ist kein Problem, auch nicht für schnell aushärtende Polyurethane. Konventionelle Polyurethane zeigen eine gewisse Empfindlichkeit gegenüber Wasser, insbesondere bei hohen Temperaturen. Nicht so Polybutadien basierende PUs, welche eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Wasser und Feuchtigkeit besitzen, sowohl beim Aushärteprozess, als auch im finalen ausgehärteten Zustand. Electrolube unterscheidet in Polybutadien basierende Vergussmassen (UR50** und UR51**) und die konventionelle PU-Vergussmassen (UR55** und UR56**), auch in der Produktbezeichnung. Die vielfältigen Variationsmöglichkeiten, die PU-Vergussmassen in Bezug auf die möglichen Prozessparameter und die finalen Eigenschaften bieten, haben zu ihrer zunehmenden Verbreitung in der Elektronikfertigung im Verguss geführt.

Silikon basierende Vergussmassen sind zwar in der Regel deutlich teurer als Epoxid- oder PU-Vergussmassen, aber sie finden ihren Einsatz dort, wo Dauerbetriebstemperaturen von in der Regel mehr als 180 Grad Celsius auftreten. Auch die exotherme Wärmeentwicklung wärend des Aushärtens ist nur sehr gering.

Polyester-Massen wurden ebenfalls zum Verguss und Einkapseln genutzt, allerdings zeigen sie eine sehr hohe exotherme Wärmeentwicklung wärend des Aushärteprozesses, einhergehend mit einem recht großen Volumenschrumpf. Dies kann zur Zerstörung von Komponenten und Leiterplatten führen. Auch die starke Geruchsbelästigung, vom Styren kommend, steht einer Nutzung entgegen.

Resins for potting and encapsulation in the electronics and electrical industries

Electrolube bietet eine umfassende Palette an Epoxid- und Polyurethan-Massen zum Verguss und Einkapseln, sowie anderen Anwendungen. In der großen Mehrzahl handelt es sich hierbei um sogenannte 2K-Systeme (2K = zwei Komponenten), bei denen Harz mit einem Härter vor der Verwendung in einem definierten Mischverhältnis gemixt werden muß. 2K Vergussmassen sind verfügbar im Großgebinde oder im Kit, welches aus zwei Behältern besteht, welche Harz und Härter bereits im richtigen Mischungsverhältnis enthalten. Somit ist es auch ohne vorheriges abmessen der zu mischenden Mengen (durch wiegen) sofort und einfach anwendbar.

Mischbeutel sind ebenfalls verfügbar. Diese bestehen aus einem Kunststoffbeutel, der beide Teile der Vergussmasse (Harz und Härter) durch einen entfernbaren Trennsteg sicher voneinander getrennt und im korrekten Mischungsverhältnis enthält. Nachdem der Trennsteg entfernt wurde, kann die Masse sorgfältig durchmischt werden, ohne dass in dem geschlossenen Beutel Luft mit untergemischt werden kann. Der Mischbeutel kann dann an einer Ecke angeschnitten werden und die Masse direkt aus dem Beutel verwendet. Electrolube bietet ebenfalls eine geringe Anzahl an einkomponentigen Epoxiden, welche unter Wärmeeinwirkung aushärten und in der Regel zum Einkapseln kleiner Bauteile genutzt werden. Es ist möglich 1K-Gießharze zu designen, die durch UV-Licht angeregt aushärten, aber diese Technologie ist nicht gut geeignet für eine Vergussmasse, da Probleme wie Schattenbereiche und des Eindringens des UV-Lichts in hoch befüllte Bereiche gibt. 1K-PU-Gießharze, die unter Aufnahme von Luftfeuchtigkeit aushärten sind ebenfalls verfügbar. Aber bei großen Schichtstärken kann das Eindringen der Feuchtigkeit problematisch sein.

Die meisten der in Gebrauch befindlichen Vergussmassen-Systeme sind komplexe Produkte mit einer Prozess-Charakteristik und Eigenschaften im ausgehärteten Zustand, welche den Erfordenissen des Kunden folgend designed wurden. Epoxid-Vergussmassen enthalten üblicherweise Weichmacher oder Zuschlagsstoffe zur Verringerung der Viskosität welche das Gießharz flüssiger und so im Prozess einfacher handhabbar machen. Weichmacher können so gestaltet sein, dass sie an der Vernetzungsreaktion teilnehmen, oder aber chemisch inert bleiben.

Reaktive Weichmacher können eine Epoxi-Gruppe (monofunktionell) oder zwei Epoxid-Gruppen (bifunktionell) pro Molekül besitzen. Erstere bedingt eine bessere Fließfähigkeit, aber auch schlechtere mechanische Eigenschaften als Zweitere. Nicht-reaktive Weichmacher bewirken generell eine etwas höhere Flexibilität im ausgehärteten Zustand, aber die Haftung, speziell bei erhöhter Temperatur, kann geringer sein. Electrolube´s ER1448 ist ein Beispiel für ein sehr niedrig viskoses Epoxid-System, welches beide Arten von Weichmacher enthält. Duch seine enorm gute Fließfähigkeit dringt es selbst in kleinste Spaltmaße und macht ein vorhergehendes Evakuieren des Gießharzes unnötig. Nichtreaktive Weichmacher können, in großer Menge eingesetzt, PU-Harze auch nach dem Aushärten weich bleiben lassen, so dass diese auf einfache Art wiederentfernbar sind, z.B. zur Fehlersuche oder Reparatur. Electrolube´s UR5048 ist ein populäres Beispiel für ein solches Gießharz - UR5044 ist eine flammwidrige Variante, welche von den Underwriters Laboratories geprüft wurde nach UL 94 V-0. UR5083 nutzt einen Weichmacher anderer chemischer Natur, so dass auch nach dem Aushärten die Vergussmasse ein "selbstheilendes" sehr weiches Gel ist. Dies ermöglicht es ohne Zerstörung des Verguss noch auf die Baugruppe zuzugreifen, um z.B. noch eine Prüfverdrahtung zu entfernen.

Der mit einem Epoxid-Harz verwendete Härter hat einen ganz wesentlichen Einfluß auf die finalen Produkteigenschaften und die Wahl des Härters ist auch der Hauptweg um die Aushärtegeschwindigkeit zu verändern. Die ersten eingesetzten Härter waren sogenannte primäre aliphatische Amine und ziemlich agressiver chemischer Natur. Sie sorgten für eine schnelle Aushärtung bei starker exothermer Erwärmung, waren ätzend und konnten Hautprobleme und Asthma hervorrufen, wenn sie nicht vorsichtig genug gehandhabt wurden. Die weniger reaktiven und weniger aggressiven chemischen Stoffe, bekannt als aromatische Amine, ermöglichen das ausgehärtete Harz einer höheren Betriebstemperatur auszusetzen. Sie sind weiger die Haut reizend und sensibilisierend, aber es gibt vermehrt Bedenken in Bezug auf ihr Krebsrisikopotenzial. Aminhärter werden oft als komplexes Gemisch verschiedener Materialien designed was ein ganz spezielles Wissen und Erfahrung erfordert. Durch die Verwendung eines organischen Säreanhydrid lassen sich Epoxid-Gießharze mit geringer Viskosität und sehr hoher Temperaturbeständigkeit realisieren. Allerdings haben sie den Nachteil, dass es sich hierbei um 3K (dreikomponentige) Massen handelt, welche in jedem Fall bei hoher Temperatur ausgehärtet werden müssen.

Konventionelle Polyurethan-Harze können auf Basis eines Polyether Polymers aufgebaut sein (wie z.B. Polypropylenoxid) oder als Polyester-artiges Gießharz (wie z.B. Rizinusöl-basierendes PU-Polyester). Ersteres besitzt eine bessere Beständigkeit gegen Wasser, aber das Letztere zeigt eine Erhöhte Haftkraft. Die zweite Komponente eines Gießharzes ist ein Isocyanat, üblicherweise Diphenyl-Methan-Di-Isocyanat (MDI, das sicherste der gebräuchlichen Isocyanate). Es ist wichtig beide Teile der Vergussmasse gegen Feuchtigkeit zu schützen. Falls die Vergussmasse feucht wird, reagiert das Wasser mit dem Isocyanat und es werden Blasen von Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Im Material bilden sich feste (kristalline) Ablagerungen. Dieser Prozess könnte den Behälter - insbesondere Mischbeutel - unter Druck setzen. Der gebräuchlichste Weg, Harz und Härter Feuchtigkeit auszusetzen, ist durch das wiederholte Öffnen der Behälter zur Entnahme von Material. Jedesmal kommt neue feuchte Luft in Kontakt mit dem Material, welches aus dieser Luft - auch bei dann geschlossenem Behälter - Feuchtigkeit aufnimt. Behälter sollten möglichst rasch nach dem Öffnen wieder verschlossen werden und ein Fluten der Behälter mit trockenem Stickstoff, bevor diese wieder verschlossen werden, wird den Nutzer vor dieser Problematik bewahren. Ist all dies nicht möglich, so bleibt als einzige Möglichkeit, die Vergussmasse in kleineren Abpackungen zu kaufen, insofern diese verfügbar sind. Beim Einsatz von Polyurethanen in einer Misch- und Dosieranlage ist es notwendig beide Teile - Harz und Härter - vor Feuchtigkeit zu schützen, entweder durch das Implementieren durch Feuchtigkeitsfallen mit Trockenmittel, oder durch das kontinuierliche Fluten der Tanks mit trockenem Stickstoff. Das Isocyanat ist der gefährliche Bestandteil des Produkts und sollte nicht erhitzt oder verspritzt werden, weil dies die Belastung der Luft sofort erhöhen würde, mit allen damit verbundenen Risiken wie z.B. der Sensibilisierung der Atemwege.

Wenn durch die Anbindung zweier OH-Gruppen an jede Polyester-Kette ein Diol entsteht, hat dies ein nach dem Aushärten weiches Gießharz zur Folge. Die Härte läßt sich erhöhen, wenn der Anteil an Triol (drei OH-Gruppen pro Kette) in der Formulierung steigt. Auf Basis von Polybutadien designte Polyurethane haben eine lange Kohlenstoff-Kette mit einigen angedockten OH-Gruppen - was bewirkt, das die Anziehung von Feuchtigkeit, wärend und nach dem Aushärten, wesentlich geringer ist, mit den vorhergehend geschilderten Vorteilen als Resultat.

Die Aushärtegeschwindigkeit von PU-Systemen läßt sich durch die Zugabe von Katalysatoren zum Harz sehr einfach einstellen. Diese Katalysatoren können verschiedener Natur sein, inclusive Amine, Zinn und Quecksilber. Quecksilber besitzt zwar die beste Ballance der chemischen Eigenschaften - mit einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, einer langen Haltbarkeit und einem schnellen und gründlichen Aushärten, aber die RoHD Direktive (EU-Gesetzgebung) verbietet seine Verwendung und Chemiker haben geeignete Ersatzstoffe zu nutzen.

Feste Füllstoffe sind wichtiger Bestandteil vieler Vergussmasse-Systeme. Sie können beigemischt werden, um einfach Kosten zu reduzieren (z.B. gemahlener Kalkstein). Die Kosteneinsparung ist in der Regel allerdings geringer als es auf den ersten Blick auf die Kosten pro kg scheint, denn diese Füllstoffe erhöhen auch das spezifische Gewicht im Vergleich zu ungefüllten Materialien. Dies bedeutet, dass eine Vergussaufgabe beispielsweise 3 g einer Masse mit einem spezifischen Gewicht von 1,0 g/ml erfordert, aber 4,5 g einer anderen Masse mit einem spezifischen Gewicht von 1,5 g/ml. In beiden Fällen ist das zu verfüllende Volumen 3 ml. Es zeigt sich somit, dass ein Vergleich der Kosten für miteinander konkurierende Vergussmassen immer an Hand der Volumina erfolgen sollte.

Resins for potting and encapsulation in the electronics and electrical industries

Die Verwendung fester Füllstoffe führt in der Regel dazu, dass das Material nach dem Aushärten härter und steifer ist. Füllstoffe können auch als Flammhemmer Verwendung finden. Aluminium-Hydroxid wird im allgemeinen hierzu genutzt, verbunden mit dem Vorteil einer geringen Rauchentwicklung und nur gering giftigen Gasen im Brandfall. Electrolube´s ER2188 und ER2195 sind populäre Vertreter der mit Aluminium-Hydroxid gefüllten flammwidrigen Epoxid-Vergussmassen. Beide sind durch Underwriters Laboratories nach UL 94 V-0 zertifiziert. UR5097, UR5604 und UR5608 sind Beispiele für flammwidrige PU-Vergussmassen, die auf die gleiche Lösung zurück greifen, um die Flammwidrigkeit - ebenfalls nach UL 94 V-0 zertifiziert - zu realisieren. Der Nachteil der Verwendung von Aluminium-Hydroxid liegt in der relativ hohen Viskosität der Gießharze. Bromverbindungen können ebenfalls als Flammhemmer eingesetzt werden, was allerdings in wesentlich geringerem Umfang stattfindet. Die Viskosität wird, durch die Verwendung von Bromverbindungen - üblicherweise im Zusammenspiel mit Antimonoxid - an Stelle von Aluminium-Hydroxid, verringert. Wie auch immer, ihre Nutzung bewirkt eine im Brandfall größere Rauchentwicklung und die erhöhte Freisetzung giftiger Gase. Pentabrombiphenylether (PolyBDE) verwendende Flammhemmer sind durch die EU-Gesetzgebung verboten und es gibt einige Fragen in Bezug auf Gesundheit und Sicherheit betreff den Einsatz von Decabromdiphenylether (DecaBDE), in der Vergangenheit eines der am häufigsten eingesetzten bromierten Flammschutzmittels. Es steht unter Verdacht bei seiner Verbrennung Dioxin als Abfallprodukt zu hinterlassen. Alternativen zu PolyBDE sind verfügbar. Electrolube´s ER2165 ist ein Beispiel für diesen Typ niedrig viskoser und flammwidriger Epoxid-Vergussmassen, zertifiziert nach UL 94 V-0. Inzwischen sind neue Brom-basierende Flammhemmer, von komplett anderer chemischer Natur, verfügbar, die durch die EU-Gesetzgebung nicht berührt werden. UR5110 ist ein Beispiel einer PU-Vergussmasse, in der diese ganz neue Technologie zum Einsatz kommt.

Viele andere Typen von Füllstoffen können in Epoxiden und Polyurethanen zum Einsatz kommen. Hohle Kügelchen aus Glas und Kunststoff dienen der Verringerung des spezifischen Gewichts und des dielektrischen Verlustfaktors des Materials. Beim Verguss von Baugruppen, die im hochfrequenten Bereich (Radio Frequenzen) arbeiten, kann es durch den Verguss zu unerwünschten kapazitiven Beeinflussungen kommen, welche durch eine Vergussmasse mit sehr kleinem dielektrischen Verlustfaktor - beispielsweise durch die Verwendung von obig beschriebenen Glas-/Kunststoff-Kügelchen - vermieden werden. Typische Beispiele solcher Electrolube Vergussmassen sind ER2193, ER2175 und UR5111. Nickel- und Silber-Partikel verleihen einer Vergussmasse eine gewisse elektrische Leitfähigkeit. Electrolube´s ER2141 ist eine elektrisch leitfähige (ableitfähige) mit Nickel gefüllte Epoxid-Vergussmasse. Zinkoxid und Aluminiumoxid bewirken eine erhöhte thermische Leitfähigkeit. Allerdings ist Aluminiumoxid relativ stark abbrassiv und kann so - falls keine speziellen Misch- und Dosieranlagen verwendet werden - in diesen zu Verschleißproblemen führen. Zink-Oxid ist wesentlich weniger abrassiv. ER2074 und ER2183 sind zwei sehr populäre Beispiele für mit Zink-Oxid gefüllte thermisch leitende Vergussmassen. Die Verwendung von Quarzmehl verringert den Volumenschrumpf wärend der Aushärtung und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ist aber auch anfällig, was eine eventuelle Sedimentation betrifft. Die Zugabe gemahlener Glasfasern erhöht die Schlagbiegefestigkeit. Durch Bariumsulfat läßt sich die Lichtundurchlässigkeit verbessern, z.B. notwendig beim Einsatz in Röntgentechnik, usw.

In der Vergangenheit waren beim Vergießen und Einkapseln Epoxid-Vergussmassen das Material der Wahl. Epoxid-Gießharze waren über viele Jahre Stand der Technik. Die meissten der aufregenden Entwicklungen im Bereich der Vergussmassen beziehen sich inzwischen auf die PU-Systeme (Polyurethan-Chemie). Dies führt dazu, dass die PU-Vergussmassen an Dominanz gewinnen und ihren Marktanteil gegenüber den Epoxid-Vergussmassen ausbauen.