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Tipps zum Schutz von Leiterplatten in harschen und herausfordernden Umgebungen

FR GB Posted on 05 February 2019 by Electrolube
Stichworte: Gießharz, Harze, FAQ

Diesen Monat möchte ich in meinem Blog mit meiner Reihe der „fünf besten Tipps“ für Designer und Hersteller von Platinen weiterführen, die die Zuverlässigkeit im Betrieb und die Langlebigkeit ihrer elektronischen Baugruppen und Produkte sicherstellen möchten.

1Überlegen Sie zuerst sehr sorgfältig, in welcher Umgebung die Leiterplatte voraussichtlich eingesetzt wird. Es ist einfach, ein Produkt übermäßig zu schützen, damit es auch die ungünstigsten Umgebungsbedingungen überlebt, aber „schlechte Umgebungsbedingungen“ sind möglicherweise nur übergangsweise bzw. von kurzer Dauer und deshalb ist oft eine Harzlösung mit einer geringeren Leistungsfähigkeit im oberen Temperaturbereich ausreichend. Nehmen Sie zum Beispiel Temperaturextreme; Ihre Anwendung weist möglicherweise gelegentliche Temperaturspitzen von bis zu 180 °C auf, und deshalb glauben Sie, dass ein Spezialharz erforderlich ist. Diese Bedingungen halten jedoch oft nur kurz an und unter „normalen“ Betriebsbedingungen wird die Leiterplatte oft nur einer Höchsttemperatur von 120 °C ausgesetzt, wodurch eine größere Auswahl an Harzarten und Auftragungsarten zur Verfügung stehen.

Ebenso hängt die erforderliche chemische Widerstandsfähigkeit des von Ihnen gewählten Harzes von der Dauer und/oder der Stärke der chemischen Kontamination ab. Denn in Hinsicht auf den resultierenden Schaden macht es einen großen Unterschied, ob eine dünne Schicht einer verunreinigenden Chemikalie auf der Harzoberfläche vorhanden ist und innerhalb von fünf Minuten abgewischt wird, oder ob 500 ml einer Chemikalie eine Stunde oder länger auf das Kunstharz einwirkt – ganz zu schweigen von vollständigem Eintauchen! Darüber hinaus ist die Menge der unterschiedlichen Chemikalien, der die Leiterplatte möglicherweise ausgesetzt wird, oft sehr eingeschränkt. Oft wird in der Design-Phase ein viel zu großer Bereich aufgelistet, nur um auf der „sicheren Seite“ zu sein.

2Umweltfaktoren, die normalerweise einen Einfluss auf die Leiterplatte haben, sind Temperatur, chemischer Angriff, physische Stöße (Vibration) und thermischer Schock. Hier muss man festlegen, welcher Aspekt wahrscheinlich die größten Auswirkungen auf Ihre Leiterplatte haben wird, entsprechend muss ein geeignetes Kunstharz ausgewählt werden. Jede der drei wichtigsten Harzarten (Epoxid, Polyurethan und Silikon) hat individuelle starke Seiten und Schwachpunkte.

Silikonharze weisen den breitesten durchgängigen Betriebstemperaturbereich aller Harzzusammensetzungen auf und sind deshalb die bevorzugte Wahl für Anwendungen mit niedrigen und hohen Temperaturen sowie thermischen Schocks. Außerdem behalten sie in dem entsprechenden Temperaturbereich ihre Flexibilität und weisen im Laufe der Zeit kaum Verschlechterung auf. Ihr Nachteil ist jedoch, dass sie auf bestimmten Substraten kaum haften und dass sie eine viel schlechtere chemische Beständigkeit aufweisen als Epoxidharze.

Epoxidharze hingegen weisen nicht nur eine exzellente chemische Beständigkeit auf, sondern auch eine gute Leistung in verschiedenen Temperaturen. Aufgrund ihrer steifen Beschaffenheit schützen sie jedoch nicht so gut gegen Stöße. Polyurethanharze haben wiederum eine sehr gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Stöße, bieten jedoch eine schlechtere Temperaturleistung. Dementsprechend werden Polyurethane am besten nur in Anwendungen mit Betriebstemperaturen von -40 bis +120 °C eingesetzt. Sie bieten jedoch eine ähnliche Flexibilität und sogar bessere Haftung auf vielen Substraten als Silikone und sind dabei kostengünstiger.

3.  Wenn die bestückte Leiterplatte in einem Gehäuse eingebaut ist, in das ein Gießharz zum vollständigen Verguss gegossen wird, ist auch das Gehäusematerial zu berücksichtigen. Kunststoffgehäuse sind normalerweise aus Spritzguss gefertigt, d. h. es können Reste eines Formtrennmittels auf der Oberfläche vorhanden sein, das eine gute Haftung des Kunstharzes verhindert, wenn es nicht entfernt wurde. Einige Kunststoffe sind sehr feuchtigkeitsempfindlich und unter feuchten Bedingungen können dimensionale und andere physische Änderungen auftreten, welche das Gehäuse, das Gießharz, die Leiterplatte und die Komponenten physischen Belastungen aussetzen. Bei Gehäusen aus Stahl, Aluminium oder anderen Metallen sind die Unterschiede des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Gehäuse und Kunstharz zu berücksichtigen, sowie die angewendete Oberflächenbehandlung, welche ebenso Auswirkungen auf die Haftung des Harzes hat.

4.  Normalerweise gilt: je dicker die Harzschicht, desto höher der Schutzgrad. Wenn jedoch nicht alle Komponenten auf der Leiterplatte die gleiche Höhe aufweisen, gibt es Unterschiede bei der Dicke der Harzschicht und dem Schutzgrad für die einzelnen Komponenten. Ein gutes Design der Leiterplatte sowie sorgfältige Auswahl der Komponenten kann dieses Problem schon weitestgehend beheben. Allerdings ist bei dem auf der gesamten Leiterplatte gebotene Schutzgrad von der dünnsten vorhandenen Kunstharzschicht auszugehen. Bei dem Wunsch bzw. dem Bedürfnis, das Gewicht und/oder das Volumen zu verringern, sind Ingenieure geneigt, die aufgetragene Harzmenge zu reduzieren. Dennoch muss auch die erwartete Lebensdauer berücksichtigt werden, wobei dicke Schichten allgemein einen besseren Langzeitschutz bieten.

5. Nicht vergessen: bevor Sie überhaupt an ein Umhüllen oder Vergießen denken, muss die Leiterplatte gründlich gereinigt werden. Eine Oberflächenkontamination kann negative Auswirkungen auf den durch den Verguss gebotenen Schutzgrad haben, besonders auf die chemische Beständigkeit (da Chemikalien so leichter eindringen können). Darüber beeinträchtigen Verunreinigungen die Fähigkeit des Harzes, Stöße und thermische Schocks aufzufangen, da es zu einer schwächeren Haftung zwischen dem Kunstharz und der Leiterplatte kommt, was letztendlich zu einer Ablösung führt. Natürlich müssen nach der Reinigung alle Lösungsmittel- bzw. Reinigungslösungsreste entfernt und die Leiterplatte gründlich getrocknet werden, bevor Harz aufgetragen werden kann.

Werden diese grundlegenden Tipps zum Design beachtet, können Sie den gewünschten Grad an Zuverlässigkeit und eine Lebensdauer erreichen, die zu langen und glücklichen Beziehungen mit Ihren Kunden führen!  In den kommenden Monaten werde ich auf Probleme in Bezug auf die richtige Auswahl und den korrekten Auftrag von Kunstharzen eingehen. Lassen Sie sich diese Kolumne also auch in den folgenden Ausgaben des SMT-Magazins nicht entgehen!