Gib Luftblasen  keine Chance

Gib Luftblasen keine Chance

Insbesondere für Hochleistungsanwendungen bietet sich für den Schutz elektronischer Komponenten ein Verguss unter Vakuum an. Während zahlreiche Anwender dieses leistungsfähige Verfahren erfolgreich ­einsetzen, haben andere damit noch keine Erfahrungen gemacht, da sie es für zu komplex halten und die vermeintlich hohe Anfangsinvestition scheuen. Wie eine Reihe von Best Practice-Hinweisen zeigt, ist Vakuum­verguss jedoch kein Hexenwerk. Angesichts der anhand eines Praxisversuchs sichtbaren Vorteile sollten auch bislang skeptische Ingenieure einen zweiten Blick auf das Verfahren werfen.

Egal ob Automobil-, Industrie- oder Consumer-Elektronik: Elektronische Bauteile wie Chips oder ganze Leiterplatten müssen oft vor mechanischen oder chemischen Belastungen geschützt werden. Ein typisches Beispiel sind Sensoren für die Motorsteuerung, wie etwa Abgassensoren oder Komponenten, die in heißem Getriebeöl zum Einsatz kommen. Aber auch ungeschützte Drahtwicklungen und Kupferlackdrähte bei einem Wickelgut gehören zu solchen Anwendungen. In Abhängigkeit ihrer Verwendung sind diese erheblichen Belastungen durch Korrosion, Vibration, Feuchtigkeit sowie hohen Spannungen ausgesetzt. Da Umspritzen fertigungstechnisch aufwendig und durch die Spritzgussformen auch teuer ist, sind Vergussmassen für die meisten Hersteller das Mittel der Wahl.

Dabei kommt es regelmäßig vor, dass ein konventioneller Verguss nicht alle Anforderungen erfüllt. So können in den kleinen Hohlräumen innerhalb der Drahtwicklungen etwa kleine Luftbläschen eingeschlossen sein, die unter ­anderem die Isolierung und damit die Hochspannungsfestigkeit auf­heben oder deutlich reduzieren. Luftblasen unter Leiterplatten dehnen sich bei thermischer Belastung aus - je nach Geometrie um mehrere Millimeter - was zu Spannungen im Verguss und an der Leiterplatte führt. Im Falle von starken Spannungsspitzen können sich auch beim Einsatz flexibler, spannungsausgleichender Klebstoffe Risse bilden, durch die Chemikalien wie Öl eindringen und das Bauteil angreifen.

Mit der LeanVDS-Anlage bietet Scheugenpflug ein Einstiegssystem in den Vakuumverguss
© Scheugenpflug AG
Vergossenes Standardbauteil, transparent zur Illustration

Die Lösung für anspruchsvolle Fälle

Insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit elektronischer Baugruppen erfordern, bietet sich daher ein Verguss unter Vakuum an, da dieses - auch inlinefähige - Verfahren den Einschluss von Luft vermeidet. Außer für wertvolle, elektrisch hochbeanspruchte sowie sicherheits­kritische Komponenten eignet sich der Vakuumverguss auch für Bauteile mit komplizierten Geometrien und Hinterschneidungen oder engen Zwischenräumen.
Technisch ist das Erzeugen eines realen Vakuums mit einer kompletten Luftleere gar nicht notwendig. Vielmehr ist damit eine Druckminderung bis auf ca. 1 mbar gemeint. Denn je weiter der Luftdruck abgesenkt wird, desto länger dauert das Evakuieren und desto höhere Energiekosten sind damit verbunden. Nicht zu vernachlässigen ist auch, dass nicht jedem Bauteil eine starke Druckreduzierung gut bekommt. Während ein Wickelgut weitgehend unempfindlich ist, kann die in einem Kondensator eingekapselte Luft das Bauteil bei äußerem Unterdruck zum Platzen bringen. Aus diesen Gründen sollte das Vakuum gezielt auf die jeweilige Aufgabenstellung abgestimmt werden.

Um Blasenfreiheit sicherzustellen, muss der gesamte Aufbereitungs-, Förder- und Dosierprozess unter Vakuum erfolgen. Mittels einer Dünnschichtentgasung entfernt eine hochwertige Aufbereitungsanlage jede Spur von gelöster Luft in der Vergussmasse. Ein abgestimmtes Rührwerk unterstützt zusätzlich die Entgasung, indem es das Material umwälzt. Dabei wird gelöste Luft zur Grenzfläche zwischen Materialoberfläche und Vakuum gefördert. An den obersten Schichten setzt der Entgasungseffekt ein. Um eine Wiedereinbringung von Luft während der Förderung zu verhindern, sind sämtliche Verschraubungen, Materialleitungen, Pumpen und Ventile hermetisch abgedichtet.

Praxisversuch: Vakuumverguss vs. Verguss unter Atmosphäre

Um noch zögernden Anwendern zu zeigen, welcher Unterschied zwischen einem Vakuum- und einem Atmos­phärendruckverguss besteht, haben DELO und Scheugenpflug einen Versuch mit Standardkomponenten durchgeführt. Zum Einsatz kam eine gewöhnliche Leiterplatte in einem konventionellen PBT-Kunststoffgehäuse, als Vergussmasse ein niedrigviskoses, zweikomponentiges Epoxidharz für den Hochzuverlässigkeitsbereich, um einen Einsatz im Automotive-Bereich zu simulieren. Dieses Produkt ist dauerhaft temperaturbeständig bis +200 °C, resistent gegenüber Diesel, Benzin oder Öl und schützt in der Praxis zum Beispiel Motor- und Abgassteuerungssensoren.

Für den Vergussversuch unter Atmosphäre wurden die beiden Komponenten manuell gemischt und dosiert. Im Zuge des Testlaufs unter Vakuum wurde die Vergussmasse zusätzlich entgast und anschließend dosiert. Um einen ­Versuch im Labor­maßstab nachzustellen, fand als Anlage die LeanVDS von Scheugenpflug Verwendung, ein Einstiegs­system in den Vakuumverguss. Die kompakte Anlage eignet sich insbesondere für Forschung und ­Entwicklung, als Kleinserienanlage oder zur Ablösung ­unsicherer und zeitlich aufwendiger ­Hilfsprozesse wie dem Nach­evakuieren.

Zur Analyse der Vergussergebnisse entschieden sich DELO und Scheugenpflug für Röntgenaufnahmen. Im Gegensatz zu Schliffbildern ist diese Testmethode nicht nur zerstörungsfrei, es besteht auch nicht das Risiko, das Bauteil an einer blasenfreien Stelle zu trennen und so mögliche Blasen an anderen Stellen zu übersehen. Betrachtet man nun die Röntgen­aufnahmen der beiden Bauteile, sieht man deutliche Unterschiede. Während die Leiterplatte links unter Vakuum blasenfrei vergossen wurde, hat sich im rechten Bild bei der unter Atmos­phärendruck vergossenen Leiterplatte eine große Blase gebildet.
Die Folge davon: Je nach Anwendung und Betriebsumgebung droht ein Ausfall der Komponente – teilweise auch erst nach vielen Monaten oder sogar Jahren.

Eine Röntgenaufnahme erlaubt eine zerstörungsfreie Kontrolle der Blasenfreiheit. Während die Leiterplatte oben unter Vakuum blasenfrei vergossen wurde, hat sich im unteren Bild bei der unter Atmosphärendruck vergossenen Leiterplatte ein großer Lufteinschluss gebildet.

Fazit

Je nach verwendetem System können schon beim Aufbereiten, Fördern und ggf. Mischen von ein- und zweikomponentigen Vergussmassen relativ einfach Blasen entstehen. Mit der Kombination aus den richtigen Vergussmassen und einer Vakuumverguss-Anlage inklusive Materialaufbereitung und -förderung stehen produzierenden Unternehmen die Instrumente zur Verfügung, mit denen sie die Zuverlässigkeit ihrer Komponenten so erhöhen können, dass sie alle thermischen, mechanischen, chemischen und auch designtechnischen Anforderungen erfüllen.