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Schutzlacke vs. Gießharze

EN  FR  NL Schlagwörter: Schutzlacke, Gießharze, Vergussmasse

Eine Frage, die schon häufig gestellt wurde, lautet: „Was ist besser geeignet zum Schutz meiner Leiterplatte, ein Lack oder ein Gießharz?“ Wie bei jeder guten technischen Antwort, hängt es davon ab... wieviel Schutz vor den Umwelteinflüssen erforderlich ist. Das Erste, was in der Regel betrachtet werden muss, ist der Aufbau jedes Gehäuses, in welchem die Leiterplatte eingebaut wird. Wenn eine Baugruppe in ein Gehäuse eingebaut wird, das als primärer Umgebungsschutz ausgelegt ist, wird häufig ein Schutzlack verwendet, um einen Reserveschutz zu dem durch das Gehäuse gebotenen Schutz zu bieten. Wenn das Gehäuse nicht geeignet oder fähig ist, einen primären Schutz der Baugruppe vor der Betriebsumgebung zu bieten, sind Gießharze oft die bessere Wahl.

Die nächste Frage wäre dann: „Was ist ein Lack und was ein Gießharz?“ Wenn wir die Gemeinsamkeiten der beiden betrachten, wird deutlich: beides sind – ganz allgemein – organische Polymere, die aushärten können und so eine elektrisch isolierende Schicht bilden, die einen gewissen Grad an chemischer Beständigkeit und Temperaturbeständigkeit besitzt. Es gibt bestimmte Gemeinsamkeiten in der Chemie der verwendeten Polymere, wobei Acryl, Epoxid, Polyurethan und Silikon die am häufigsten verwendeten sind.

Schutzlacke.

Schutzlacke sind dünne Schichten, die mit einer Trockenfilmdicke zwischen 25 und 100 Mikrometern aufgetragen werden. Dadurch erhöht sich das Gewicht der Baugruppe nur minimal. Oft sind die Lacke durchsichtig, sodass beschichtete Bauteile leicht zu identifizieren sind und die Beschichtung einfach nachgearbeitet werden kann bzw. Bauteile ersetzt werden können, so dies erforderlich ist. Die chemische Beständigkeit und die Temperaturbeständigkeit der Lacke ist generell gut, bei kurzem Einwirken. Ein Lack setzt die Bauteile relativ geringen mechanischen Spannungen aus, was vor allem von Vorteil ist, wenn diese dünne Anschlüsse haben und nicht weiter abgefangen werden.

Die meisten Lacke sind 1K-Systeme (Einkomponentensysteme) mit langen Badstandzeiten und niedrigen Aushärte- oder Trocknungstemperaturen und einer kurzen Trocknungszeit. Als eine Einkomponentenlösung sind sie einfacher zu verarbeiten und aufzutragen; für die meisten 1K-Lacke werden Lösemittel genutzt, um ihre Viskosität entsprechend dem gewählten Auftragverfahren anzupassen. Neu entwickelte zweikomponentige (2K) Epoxid- und Polyurethan-Beschichtungen kombinieren andererseits den Schutz und die Eigenschaften eines Gießharzes (siehe unten) mit der Einfachheit des Auftragens eines Schutzlack, aber ganz ohne die Verwendung von Lösemitteln, was sie umweltfreundlicher macht. Sie decken hervorragend ab und ihre herausragende Flexibilität schützt empfindliche Bauteile. 2K-Lacke bieten auch exzellente mechanische Eigenschaften und Abriebfestigkeit. Da sie jedoch aus zwei Komponenten bestehen, sind sie im Vergleich zu 1K-Lacken schwieriger zu verarbeiten und sind praktisch nicht mehr zu entfernen, wodurch eine Reparatur der Leiterplatte sehr schwierig wird. Lacke können manuell mit einem Pinsel, einer Handsprühpistole oder durch Tauchen aufgetragen werden. Lacke werden jedoch immer häufiger mit Hilfe von Robottersystemen – selektiver Lackieranlagen – aufgetragen, um das Verfahren besser steuern zu können und ein einheitlicheres Ergebnis zu erhalten.

Die weitverbreitete Sprühanwendung für Schutzlacke hat zu einer so niedrigen Viskosität der Lacke geführt, dass sie im Sprühvorgang atomisiert werden können. In der Vergangenheit bedeutete dies, dass Lacke sehr hohe Konzentrationen an Lösemitteln aufwiesen, um die Viskosität des Grundharzes zu verringern. Der Lösemittelgehalt von vielen Lacken war dafür verantwortlich, dass Wärme angewendet wurde, um die Lösemittel zu entfernen und die Lacke trocknen zu lassen, da ein Aushärten bei Raumtemperatur zu einem Einschließen der Lösemittel im Lack und so zu einem vorzeitigen Ausfall führen könnte.

Mit wachsendem Umweltbewusstsein gingen Veränderungen einher, was die Art der verwendeten Lösemittel angeht, um den Gehalt an VOC (flüchtige organische Verbindungen) und den Anteil von Lösemitteln im Lack zu verringern. Moderne Beschichtungsmaterialien sind oft lösemittelfrei und werden als Materialien mit 100 % Feststoffanteil bezeichnet, da das gesamte auf der Leiterplatte aufgetragene Material vernetzt und einen Trockenfilm mit ähnlicher Dicke wie der des feucht aufgetragene Films erzeugt. Dieser VOC-freie Lack kann mit Wärme, Feuchtigkeit oder UV-Strahlung ausgehärtet werden, abhängig von der spezifischen Zusammensetzung.

Gießharze

Gießharze können in einer Dicke ab 0,5 mm aufgetragen werden und in der Regel noch viel dicker. Die erhöhte Dicke führt zu einer Gewichtssteigerung und oft auch zu einem höheren Stückpreis als beim Lackieren. Die erhöhte Dicke sorgt jedoch auch dafür, dass die Leiterplatte viel besser gegen chemische Angriffe, vor allem bei verlängertem Eintauchen, geschützt wird. Ein Gießharz kann (abhängig von seiner Formulierung) auch einen besseren Schutz gegen Erschütterungen bieten, da die Masse des Gießharzes dazu beiträgt, die Kräfte über die ganze Leiterplatte zu verteilen, anstatt sie zu konzentrieren. Eine Schicht mit dunkel eingefärbtem Harz kann die Leiterplatte vollständig verbergen, wodurch das Design sicherer verborgen wird und abhängig von der Art des verwendeten Gießharzes kann dessen Entfernung auch eine Zerstörung der Leiterplatte bedeuten.

Gießharze sind normalerweise Zweikomponentensysteme (2K), bei welchen ein Harz (Teil A) mit der richtigen Menge Härter (Teil B) gemischt wird, die dann eine chemische Reaktion beginnen und ein vernetztes Polymer – eine Matrix – erzeugen. Gießharze haben normalerweise eine viel höhere Viskosität als Lacke und enthalten oft mineralische Füllstoffe, die die Eigenschaften verbessern. Da Gießharze nicht durch Sprühen aufgetragen werden, sind die meisten Harzzusammensetzungen VOC-frei und die meisten Gießharze sind zur Aushärtung bei Raumtemperatur ausgelegt. Die Aushärtezeit kann jedoch durch Wärmezuführung reduziert werden und bei manchen Harzen ist eine Nachhärtung erforderlich, um die optimalen Eigenschaften zu entwickeln. Die meisten Harze beginnen eine Reaktion, sobald die zwei Komponenten zusammengemischt wurden. Die meisten Aushärtereaktionen sind exotherm, da chemische Verbindungen gelöst und erneut angeordnet werden. Exotherme Reaktionen erzeugen naturgemäß Wärme, aber diese Wärme kann kontrolliert werden, indem die Menge an Material, die in einem einzigen Vorgang vergossen wird, sorgfältig berechnet wird. Wird zu viel Harz auf einmal verwendet, können die Bauteile überhitzen oder schlimmstenfalls kann das Gussstück anfangen zu brennen.

Die Verarbeitung einer Vergussmasse ist bei der Verwendung eines Mischbeutels sehr einfach. (Klicken Sie hier um das Video anzuschauen) Hier werden die zwei Komponenten im richtigen Verhältnis zueinander in einem Mischbeutel und durch eine entfernbare Klammer getrennt geliefert. Der Benutzer entfernt das Trennelement, mischt die zwei Komponenten gut durch und vergießt die Masse, um die erforderlichen Bereiche bis zur richtigen Höhe zu bedecken. Wie bei Lacken wird immer häufiger eine automatisierte 2K-Misch- und Dosier-Anlage verwendet, um das Harz zu mischen und nach Bedarf auf gleichbleibende und wiederholbare Art und Weise zu dosieren.

Es ist interessant anzumerken, dass bei bestimmten Anwendungen, bei welchen eine 2K-Harzformel die erste Wahl zum Schutz der Leiterplatte war, ein 2K-Schutzlack nun die bessere Wahl sein könnte, da er im Vergleich zu 1K-Lacken verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Darüber hinaus entfällt durch den Wechsel von einem Harz zu einem Schutzlack der Gewichtsnachteil, was für manche Anwendungen kritisch sein könnte.

Wie kann ich also die beste Lösung für meine Anwendung finden?

Die Konstruktion der Leiterplatte, das Gehäuse und die erwartete Nutzungsumgebung spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung zwischen einem Lack oder einem Gießharz.

Wie bereits erwähnt, kann die Verwendung eines Schutzlacks zusätzlichen Schutz bieten, wenn das Gehäuse bereits einen angemessenen Primärschutz gegen die Umgebung darstellt, und er kann dann wirken, wenn der Primärschutz defekt oder undicht sein sollte. Außerdem bietet er Schutz gegen hohe Feuchtigkeit und Kondensatbildung im Gehäuse.

Oft sind Gießharze Teil des Gehäuses und somit Teil des Primärschutzes des Systems. Somit müssen sie allen möglichen Verunreinigungen, welchen das Gehäuse in seiner letztendlichen Nutzungsumgebung ausgesetzt werden könnte, widerstehen.

Gießharze werden oft bei Hochspannungselektronik und in in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzter Elektronik verwendet, um eine vollständige dielektrische Beschichtung zu bilden, die jede Funkenbildung verhindert.

Ein gutes Leiterplatten- und Gehäusedesign sorgt für ein schnelles und effizientes Auftragen von entweder Schutzlack oder Gießharz, und zwar sowohl effizient bezüglich der erforderlichen Verarbeitungszeit als auch bezüglich der erforderlichen Materialmenge.

Und um noch mehr Möglichkeiten zu bieten, hat Electrolube erst kürzlich eine Reihe von Lacken auf den Markt gebracht, die auf einer ähnlichen 2K-Chemie wie Harze basieren, aber durch selektive Beschichtungsvorrichtungen im Bereich 200-400 Mikrometer Schichtdicke aufgetragen werden können. Damit werden also die vielen Vorteile beider Technologien kombiniert und Nachteile minimiert.

Diese neuen 2K-Schutzlacke haben tatsächlich hervorragende Ergebnisse unter kondensierenden Umgebungsbedingungen erzielt. Bei Tests in einer Klimakammer, in welcher Bedingungen mit starker Kondenswasserbildung simuliert wurden, hat eine in Urethanharz eingegossene Baugruppe die insgesamt besten Ergebnisse bezüglich Leitungsplattenschutz erzielt und die geringsten Veränderungen bei Kondenswasserbildung gezeigt. Der sehr große Dickenunterschied dieses Materials gegenüber einem 2K-Schutzlack zeigte jedoch keine große Leistungsverbesserung mehr. Der 2K-Lack erzielte sogar fast die gleichen Ergebnisse wie die Vergussmasse – und das bei einem Zehntel der Dicke. 2K-Schutzlacke können dicker aufgetragen werden, als frühere Lacke, ohne dass eine Gefahr der Rissbildung besteht. Sie können auch durch selektive Beschichtungstechniken aufgetragen werden, um eine Schicht mit besserer Dicke und Kantenabdeckung von scharfen Kanten zu realisieren. Er kann dann da eingesetzt werden, wo ein herkömmlicher Schutzlack nicht mehr eingesetzt werden kann und eigentlich ein Vergießen erforderlich wäre.