Vergussmassen – Die wichtigsten Punkte im Überblick

Für die Verkapselung von Elektronik gibt es mehrere gute Gründe. Die Einbettung der Leiterplatte in eine Vergussmasse schützt diese vor Umwelteinflüssen wie eindringendem Wasser und Korrosion durch Luftfeuchtigkeit oder ätzende Chemikalien und Gase (Schwefel greift insbesondere das in den Leiterplattenbahnen verwendete Kupfer an). Der Verguss verringert zudem die Auswirkungen mechanischer Stöße und Vibrationen und stützt bzw. schützt empfindliche oder zerbrechliche Komponenten aus spröden Ferriten in den Transformatorkernen. Er unterstützt und entlastet darüber hinaus auch die PCB-Pins, sodass die Stabilität der Verbindung zwischen Komponente und Leiterplatte nicht allein von den Lötpunkten abhängt.

Der Verguss ersetzt die Luft um eine Wandler-Leiterplatte herum durch ein hochisolierendes Medium¹. Dadurch wird bei Überspannungsbeanspruchung ein Überschlag innerhalb der Stromversorgung vermieden, insbesondere bei großen Betriebshöhen, und die Wirkung von Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub und Schmutz eingedämmt, die die Isolierung zwischen Eingang und Ausgang verringern oder eine Oberflächenentladung verursachen könnten. Wärmeleitende Vergussmaterialien reduzieren zudem Hotspots innerhalb des Wandlers, leiten die Wärme zum Gehäuse ab und gleichen Temperaturgradienten aus, wodurch die Beanspruchung der Komponenten bei Temperaturwechseln verringert wird. Nicht zuletzt verbessert das Vergussmaterial den Brandschutz (UL94-V0), denn die Verbindung kann sich nach dem Aushärten weder entzünden noch eine Flamme aufrechterhalten. Ein vergossener DC/DC-Wandler hat eine verlängerte Lager- und Betriebslebensdauer. Die Materialien in RECOM-Produkten haben eine Haltbarkeit von zehn Jahren – gelegentlich erhalten wir sogar Anfragen zu Ersatzwandlern für Produkte, die in den 1990er-Jahren hergestellt wurden und seit Jahrzehnten in Betrieb sind. Diese Langlebigkeit ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Vergussmasse eine hermetische Versiegelung bildet, die eine saubere, stabile Umgebung für die elektronischen Komponenten des Wandlers schafft.

Vor- und Nachteile des Vergusses

Die oben genannten Vorteile treffen nur dann zu, wenn der Verguss eine gas- und wasserdichte Versiegelung bildet. Enthält das Vergussmaterial Lufteinschlüsse oder Hohlräume, so wird die Schutzwirkung verringert. Einschlüsse können die Wirksamkeit der Isolierung beeinträchtigen, da sie intern einen Überschlag sowie Oberflächenentladungen begünstigen können. Auch die Wärmeleitfähigkeit wird verringert. Darüber hinaus können Lufteinschlüsse bei sehr hohem oder niedrigem Luftdruck oder bei Volumenausdehnungen bzw. -kontraktionen innerhalb eines Einschlusses aufgrund von Temperaturschwankungen zu mechanischer Belastung bis hin zum Bruch führen.



Es gibt verschiedene Techniken zur Beseitigung signifikanter Lufteinschlüsse in der Vergussmasse, wobei die effektivste das Vakuummischen und Dispensieren ist. Die Vergussmasse wird dabei unter Vakuum angemischt, wodurch vorhandene Luftblasen an die Oberfläche aufsteigen. Anschließend wird sie über ein unter Druck stehendes System in Dosierspritzen gepumpt, wodurch verhindert wird, dass erneut Luft in die Masse eindringen kann. Bei manchen Produkten, wie bei unseren RACM18- und RACM30-Spannungsversorgungen für medizinische Anwendungen, ist der Verguss Bestandteil der zertifizierten Sicherheitsisolierung. Zertifizierungsbehörden schreiben vor, dass die Durchdringung der Vergussmasse und die hohlraumfreie Konsistenz in der Produktion kontrolliert werden müssen. Dies ist durch das Vakuumimprägnierungsverfahren zusammen mit einer regelmäßigen Überwachung durch „Sektionierung“ und Röntgenaufnahmen gewährleistet.

Die meisten unserer Produkte werden jedoch nicht unter Vakuum vergossen, da dies die Produktion erheblich verlangsamen würde. Wenn man monatlich mehr als eine Million Produkte herstellt, würde das einen erheblichen Zeitverlust bedeuten. RECOM wendet zur Vermeidung von Lufteinschlüssen in der Vergussmasse andere Techniken an, die in Kombination nahezu alle Lufteinschlüsse beseitigen. Die erste und wichtigste davon ist die richtige Vergusstechnik. Das Gehäuse wird zunächst nur zum Teil mit der Vergussmasse gefüllt; dann wird die vorab getestete und montierte Leiterplatte in das Gehäuse eingesetzt und die Form fast bis zum oberen Rand mit Vergussmasse befüllt. Der teilvergossene Wandler wird dann in einem Ofen platziert, dessen Temperatur unterhalb der Aushärtungstemperatur der Vergussmasse liegt. Die Vergussmasse wird durch die warme Temperatur sehr flüssig, und alle eingeschlossenen Luftblasen steigen an die Oberfläche. Gegebenenfalls kann das Gehäuse auf einen Schütteltisch gelegt werden, um das Aufsteigen der Blasen anzuregen. Abschließend wird die Gehäuseform ganz ausgefüllt und bei höherer Temperatur ausgehärtet.

Zweikomponenten-Epoxid-Vergussmaterial ist hygroskopisch – es absorbiert Feuchtigkeit aus der Luft, was zu einer gesprenkelten Oberfläche führt, die als „Aminblüte“ bezeichnet wird. Daher ist es wichtig, frische chemische Verbindungen zu verwenden, die in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit und kontrollierter Temperatur gelagert wurden.

Auch die Leiterplatte selbst sollte sauber und frei von Rückständen sein. Da RECOM über eigene SMD-Fertigungsanlagen verfügt, können wir die Sauberkeit, Luftfeuchtigkeit und Temperatur in unserem Produktionsbereich genau überwachen. Ein sauberer, unbedruckter Leiterplattenwandler ermöglicht eine gute Haftung der Vergussmasse an den Komponenten und der Leiterplatte und reduziert Lufteinschlüsse.

Zum Schluss untersuchen wir die Wandler mittels Röntgenstrahlung auf Lufteinschlüsse. Bei neuen Designs können Luftblasen unerwartet unter Komponenten oder unter der Leiterplatte eingeschlossen werden und schwer zu entfernen sein. In diesem Fall können wir die Ergebnisse der Röntgenuntersuchung verwenden, um die Komponenten entweder neu zu positionieren oder um strategisch positionierte Löcher in die Leiterplatte einzubringen, damit die Luft während des Vergussprozesses besser entweichen kann.

Alle Vergussmassen ziehen sich beim Aushärten zusammen. Das Ausmaß der Schrumpfung ist bei den meisten der gängigen Verbindungen, die für den Verguss von Elektronik verwendet werden, gering; allerdings setzt jede Schrumpfung die Komponenten einer mechanischen Belastung aus oder kann zur Bildung mikroskopisch kleiner Risse oder Spalten führen, die das Eindringen von Flüssigkeiten oder Gasen begünstigen. Die Lösung besteht in der Verwendung von Vergussmassen, die nicht zu hart sind, sondern nach der vollständigen Aushärtung eine gewisse Nachgiebigkeit behalten. Die mechanische Belastung durch die Schrumpfung wird durch die Elastomereigenschaft der Vergussmasse (gummiartige Konsistenz) ausgeglichen, und die Versiegelung des Gehäuses, der Pins und der Komponenten bleibt intakt. Darüber hinaus sollte die Vergussmasse einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE = Coefficient of Thermal Expansion) haben, damit Temperaturschwankungen keine mechanische Belastung der Komponenten oder der Leiterplatte verursachen, die möglicherweise einen anderen CTE haben. Wenn das Vergussmaterial eine gewisse Nachgiebigkeit behält, wirkt dies auch thermisch induzierten mechanischen Spannungen entgegen.

Als Faustregel gilt, dass Epoxid-Vergussmassen beim Drücken mit dem Fingernagel eine leichte Einbuchtung aufweisen sollten (mittelhart). Polyurethane und Silikone (siehe nachfolgende Ausführungen) sollten sich gummiartig anfühlen (mittelweich). Die Härte von Vergussmassen wird mittels der Shore-Skala angegeben:



Ein weiterer wichtiger Faktor ist die sogenannte Glasübergangstemperatur, also die Temperatur, unterhalb der das Vergussmaterial spröde wird. Fast alle RECOM-Produkte halten Betriebstemperaturen von bis zu -40°C stand, weshalb es wichtig ist, dass auch das Vergussmaterial bei extrem niedrigen Temperaturen elastisch bleibt.

Auch das Verhalten des Materials am entgegengesetzten Ende der Temperaturskala ist entscheidend. Zwar arbeitet die Mehrheit der RECOM-Produkte unter Volllast bis zu einer Umgebungstemperatur von +85°C – einer für Vergussmaterialien recht niedrigen Temperatur –, allerdings müssen die Wandler beim Wellenlöten sehr hohe Temperaturen aushalten, ohne dass die Versiegelung beschädigt wird.

Eine Möglichkeit, die Integrität des Vergussmaterials zu überprüfen, sind Temperaturwechseltests. Im nachfolgenden Beispiel wurden mehrere DC/DC-Wandler entweder mit einem weichen oder einem härteren Vergussmaterial versiegelt und extremen Temperaturwechseln zwischen -40°C und +85°C ausgesetzt. Nach 250 Temperaturschock-Zyklen wurden die Wandler getestet, um zu ermitteln, wie viele von ihnen ausgefallen waren.



Wie man sieht, zeigen sich bei bis zu 750 Zyklen keine Leistungsunterschiede zwischen weichem und hartem Vergussmaterial. Nach 1000 Zyklen beginnt der harte Verguss zu versagen und Ausfälle zu verursachen. Durch die unterschiedliche Ausdehnung der Vergussmaterialien entsteht eine immer stärkere mechanische Belastung, die schließlich zum Ausfall des Wandlers führt. In Anwendungen mit geringen oder langsamen Temperaturwechseln würde sich in Bezug auf die Leistung kaum ein Unterschied zwischen hartem und weichem Verguss bemerkbar machen, wobei der harte Verguss hier auch aus anderen Gründen vorteilhafter sein könnte. Nur in extremen und besonders rauen Umgebungen wäre das weichere Vergussmaterial zu bevorzugen.

Nicht zuletzt muss die Möglichkeit gegeben sein, die Verkapselung zu entfernen, um Analysen und Fehlersuchen vornehmen zu können. Während Elastomerverbindungen in der Regel mit der Hand auseinandergezogen werden können, müssen harte Epoxide mit einem scharfen Werkzeug abgetrennt oder abgeschliffen werden, was die Fehlersuche bei Epoxid-vergossenen Wandlern enorm erschwert.

Epoxide/Polyurethane/Silikone

In der Elektronikindustrie werden hauptsächlich drei Vergussmaterialien verwendet. Jedes von ihnen erfüllt die Hauptzwecke der Verkapselung, nämlich den Schutz des Bauteils vor Umwelteinflüssen und mechanischer Belastung sowie die Gewährleistung einer guten elektrischen Isolierung und Wärmeleitfähigkeit. Allerdings hat jedes Material ganz individuelle Vor- und Nachteile.

RECOM setzt abhängig von der Art des Wandlers und der beabsichtigten Verwendung alle drei Typen ein. In der Automobilindustrie ist zum Beispiel kein Silikonverguss erlaubt, da dieser nach dem Aushärten „ausgasen“ und einen Partikelfilm auf angrenzenden Oberflächen bilden kann, der die Lackierung oder die Funktion elektrischer Kontakte beeinträchtigen könnte. Auch für Bahnanwendungen ist Silikon keine Option, denn das Material ist zwar schwer entflammbar, könnte aber im Brandfall die Rauchbildung begünstigen und in einem abgeschlossenen Raum wie einem Zugabteil Panik auslösen. Die Anforderungen dieser beiden Anwendungsfälle können durch die Wahl von Vergussalternativen wie Epoxidharz oder Polyurethan erfüllt werden.

Epoxidharz: das überwiegend verwendete Vergussmaterial. Zweikomponenten-Epoxid besteht aus einem Polymerharz und einem Härter, die chemisch miteinander reagieren. Die chemischen Bindungen in den Polymerketten vernetzen sich dabei zu einer zähen, steifen und festen Verbindung.

Vorteile von Epoxid-Vergussmasse:

• Hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit (nach dem Aushärten robust und langlebig)
• Hohe Temperaturbeständigkeit (-50°C bis +150°C und höher)
• Geringe Schrumpfung
• Gute Anhaftung
• Gute Chemikalienbeständigkeit
• Gute Feuchtigkeitsbeständigkeit
• Hoher elektrischer Isolationswert (17kV/mm)

Nachteile:

• Der Aushärtungsprozess ist exotherm (erzeugt Wärme). Die Epoxidmasse muss langsam über mehrere Stunden ausgehärtet werden, damit die im Inneren entstehende Wärme entweichen kann.
• Durch die lange Aushärtungsdauer wird der Vergussprozess verlangsamt.

Polyurethan: Polyurethan (PU) ist ein duroplastischer Kunststoff. Genau wie Epoxidharz ist es typischerweise eine Zweikomponentenverbindung, die aus einem Basisharz und einer Härterkomponente (Isocyanat) besteht. Anders als die meisten Expoxide ist PU nach dem Aushärten jedoch weicher, eher gummiartig.

Vorteile von PU-Vergussmasse:

• Elastomer-Eigenschaften (nach dem Aushärten flexibel und gummiartig)
• Hohe Abrasionsbeständigkeit
• Gut geeignet für empfindliche Komponenten (Ferrite)
• Gut geeignet für unterschiedliche Materialien oder größere Komponenten mit hoher Wärmeausdehnung
• Individuell anpassbare Fließ- und Aushärtungseigenschaften (Schnellhärtung möglich)
• Niedrige Glasübergangstemperatur (in der Regel -70°C)

Nachteile:

• Kann mit der Zeit anfällig für den Eintritt von Feuchtigkeit werden (außer bei Polybutadien-Kautschuk)
• Maximale Temperatur etwa 130°C

Silikone: Silikonkautschuk ist ein synthetisches Polysiloxanpolymer, das einen additiven Platinkatalysator benötigt, um vom flüssigen in den festen Zustand überzugehen. Das Ergebnis ist eine schnelle Aushärtung schon bei Raumtemperatur.

Vorteile von Silikon-Vergussmasse:

• Elastomer-Eigenschaften (nach dem Aushärten flexibel und gummiartig)
• Bleibt auch bei extremen Temperaturen weich (-50°C bis +200°C)
• Gute Wärmeleitfähigkeit
• Widerstandsfähig gegen Thermoschocks und Temperaturwechsel
• Gute Anhaftung
• Besonders sicher für die Umwelt (keine Abgabe von Nebenprodukten beim Aushärten)

Nachteile:

• Teurer als PU oder Epoxid
• In manchen Branchen werden Silikone nicht verwendet, weil das Material nach dem Aushärten weiter ausdünsten kann und sich dadurch mikroskopisch dünne Silikonablagerungen auf benachbarten Komponenten bilden. Dies kann die Lötbarkeit und die Lackierung beeinträchtigen und die elektrischen Kontakte des Relais stören.

Das Bild unten zeigt den Prototyp eines kundenspezifischen AC/DC-Wandlers, der mit allen drei Vergussarten getestet wurde, um zu ermitteln, welche Vergussmasse die beste Leistung und die besten Fließ-, Temperaturbeständigkeits- und Haftungseigenschaften aufweist.



Wir helfen Ihnen gerne weiter

RECOM entwickelt effiziente, kompakte und kostengünstige DC/DC-Spannungsversorgungen für den Off-Board-Gebrauch oder als Baustein auf einer Platine. Je nach Art des Wandlers und der beabsichtigten Verwendung setzen wir Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonvergussmaterialien ein, um zuverlässige Wandler herzustellen, die gegen Umwelteinflüsse, mechanische Einwirkungen und Vibration geschützt sind und über eine gute elektrische Isolierung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen.

Wie bei allen Massenproduktionsprozessen hängt die Güte des Vergusses im ausgehärteten Zustand nicht nur von der Wahl der verwendeten Verbindung ab, sondern auch von einer sorgfältigen Herstellung und korrekten Anwendung durch gut ausgebildetes Personal in einer temperatur- und feuchtigkeitskontrollierten Umgebung. Die Nichteinhaltung detaillierter SOPs (Verfahrensanweisungen) kann zu Lufteinschlüssen oder schlechter Haftung der Vergussmasse und damit zu frühen Ausfällen führen. Der Vergussprozess gehört daher zu den am stärksten überwachten und kontrollierten Phasen in unserem Produktionsvorgang.




RECOM: We Power your Products


--------------
1) Die Epoxidharz-Vergussmasse, die RECOM für die Mehrheit seiner DC/DC-Wandler verwendet, hat eine Spannungsfestigkeit von bis zu 15kV/mm Festmaterial.