Die Grundlagen zur Verkapselung von Elektronikbauteilen
In unserer technologiegetriebenen Welt verlassen wir uns zunehmend auf Elektronik, wie Smartphones und Elektrofahrzeuge zeigen. Elektronische Komponenten sind jedoch äußerst empfindlich gegenüber verschiedenen Umweltfaktoren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Feuchtigkeit, Staub, korrosive Chemikalien und mechanische Belastung.
Glücklicherweise wird eine Technik namens Verkapselung auf empfindliche elektronische Komponenten angewendet, um sie vor diesen Umwelteinflüssen zu schützen. Die Verkapselung von Elektronik verwandelt anfällige Elektronik in robuste, widerstandsfähige Geräte.
In diesem Artikel werden wir die Definition der Elektronikverkapselung erweitern, die Bedeutung der Verkapselung von elektronischen Komponenten erläutern und gängige Verfahren und Kunststoffmaterialien für die Verkapselung vorstellen.
Was bedeutet Verkapselung von Elektronikbauteilen?
Die Verkapselung von Elektronikbauteilen ist der Prozess der Erstellung eines sicheren „Gehäuses“ oder einer „Beschichtung“ über empfindlichen Komponenten, um deren Haltbarkeit gegenüber Stößen, korrosiven Chemikalien, Vibrationen und mehr zu gewährleisten. Die Materialien, die diese Schutzschicht bilden, werden je nach den spezifischen Anwendungen der elektronischen Komponenten ausgewählt, aber typische Materialwahlmöglichkeiten umfassen Epoxidharze, Polyurethane und Silikonkautschuk.
Nicht zu verwechseln mit dem Vergießen, bei dem ein Teil in einem Behälter platziert wird, um es teilweise oder vollständig mit Harzmaterial zu umgeben, ist die Verkapselung ein Prozess, bei dem eine wiederverwendbare Form verwendet wird, um die Komponenten mit dem Material zu überziehen.
Die Verkapselung ist ein entscheidender Schritt in der Herstellung von elektronischen Geräten, da sie die effektive Funktion der Geräte unter schwierigen Bedingungen und deren Langzeitbetrieb sicherstellt. Sie arbeitet auch in Verbindung mit anderen Schutzmaßnahmen wie konformen Beschichtungen, Versiegelungen und Verklebungen.
Warum werden elektronische Bauteile verkapselt?
- Umweltschutz: Sensible elektronische Bauteile werden verkapselt, um sie vor Umweltbedingungen wie Feuchtigkeit, Verunreinigungen, Vibrationen, physischem Schock, aggressiven Chemikalien und anderen zu schützen und zu isolieren.
- Elektrische Isolation: Alle für die Verkapselung von Elektronik verwendeten Materialien müssen elektrisch isolierend sein, um unbeabsichtigten elektrischen Kontakt zwischen verschiedenen Bauteilen zu verhindern und das Risiko von Kurzschlüssen zu reduzieren.
- Wärmemanagement: Einige Verkapselungsmaterialien haben Eigenschaften, die beim Wärmemanagement helfen, indem sie die von elektronischen Bauteilen erzeugte Wärme ableiten.
- Sicherheit und Manipulationsschutz: Die Verkapselung kann zur Erhöhung der Sicherheit von elektronischen Geräten beitragen, indem sie es unautorisierten Personen erschwert, auf sensible Bauteile zuzugreifen oder sie zu manipulieren.
- Langlebigkeit und Zuverlässigkeit: Verkapselte Bauteile haben in der Regel eine längere Lebensdauer als nicht verkapselte, was sie zuverlässiger für kritische Anwendungen macht, in denen Ausfallzeiten oder Defekte inakzeptabel sind. Beispiele für solche Anwendungen sind die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Medizintechnik.
- Einhaltung von Branchenstandards: Die genannten Branchen haben oft sehr spezifische und strenge Standards und Vorschriften, die eingehalten werden müssen. Dies umfasst häufig auch die zuverlässige Verkapselung von Elektronik.
Insgesamt ist die Verkapselung von Elektronik ein wichtiger Prozess, der nicht nur elektronische Bauteile vor Umwelteinflüssen schützt, sondern auch ihre Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit erhöht. Es handelt sich um einen notwendigen Ansatz, um den effektiven Betrieb elektronischer Geräte in einer Vielzahl von Anwendungen und Bedingungen sicherzustellen.
Gängige Materialien für die Elektronikverkapselung
Früher wurden elektronische Komponenten durch Materialien wie Metalle, Keramiken und Glas geschützt. Diese Materialien wurden schließlich durch Polymere ersetzt, und die heute bevorzugten Materialien für die Verkapselung sind Epoxidharze, Silikone und Polyurethane. Diese drei Materialien weisen unterschiedliche signifikante Eigenschaften auf, die sie für verschiedene Verkapselungsanwendungen geeignet machen.
Silikone zeichnen sich durch gute Hitzebeständigkeit aus und können Temperaturen von etwa -50°C bis 200°C standhalten. Silikone sind auch selbstlöschend, was sie zur geeigneten Wahl für Anwendungen macht, die Brandschutz erfordern. Silikone sind feuchtigkeits- und UV-beständig, was sie in Kombination mit den zuvor genannten Eigenschaften ideal für raue Umgebungen macht. Darüber hinaus weisen Silikone eine gute Vibrationsbeständigkeit auf, was für Anwendungen wie Turbinen oder Motorgehäuse nützlich ist.
Epoxidharze weisen außergewöhnliche dielektrische Eigenschaften auf, wobei die Wärmeleitfähigkeit eine davon ist, sowie Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit. Epoxidharze können auch Temperaturen von etwa -50°C bis 200°C standhalten. Dieses Material bietet eine hohe Haftung und mechanische Festigkeit und ist im Allgemeinen für Hochspannungsanwendungen geeignet.
Im Vergleich zu Epoxidharzen, die hart und starr aushärten, werden Polyurethane in der Regel etwas flexibler als der Durchschnitt der Epoxide, aber die Eigenschaften von Polyurethanen können extrem vielfältig sein. Dies ist besonders praktisch bei empfindlichen Komponenten. Ähnlich wie Epoxidharze sind auch dieses Material chemikalien- und feuchtigkeitsbeständig und bieten eine hervorragende elektrische Isolierung. Wenn man Polyurethane mit Silikonen und Epoxidharzen vergleicht, können Polyurethane jedoch einen kleineren Temperaturbereich von etwa -40°C bis 150°C standhalten.
Drei Arten von Verkapselungsprozesse und wie sie funktionieren
In diesem Abschnitt werden wir einige gängige geschlossene Formprozesse erkunden, die in der Fertigungsumgebung zur Verkapselung von Elektronik verwendet werden.
Der Spritzguss
Die Spritzgussformung ist einer der am weitesten verbreiteten Fertigungsprozesse für die Herstellung von Kunststoffteilen und Produkten. Es handelt sich um einen effizienten, kostengünstigen Prozess für die Massenproduktion von Bauteilen mit komplexen Formen und präzisen Abmessungen.
Die Form in einer Spritzgussmaschine besteht in der Regel aus Stahl oder Aluminium und besteht aus zwei Hälften: einem Kern und einer Kavität. Diese beiden Hälften sind so konzipiert, dass sie der beabsichtigten Form des Endprodukts entsprechen.
Der Prozess beginnt damit, dass Rohmaterialien in Form von Pellets oder Granulaten in ein beheiztes Fass eingebracht werden. Das Material bewegt sich durch eine Schnecke und wird dann in die Formkavität eingespritzt und für eine bestimmte Zeit unter Druck gehalten. Schließlich wird das Teil abgekühlt und aus der Maschine ausgeworfen.
Das Überformen
Das Überformen ist ein Formgebungsprozess, bei dem eine oder mehrere Komponenten über einer anderen Komponente geformt werden. Bei diesem Verfahren wird ein vorgefertigtes Teil oder, im Falle der Elektronikverkapselung, eine elektronische Komponente in die Form eingelegt, und das erhitzte Rohmaterial wird in die Form eingespritzt, um eine Schutzschicht um die elektronische Komponente zu bilden.
Das Transferformen
Ein weiterer Prozess, der zur Verkapselung von Elektronik verwendet werden kann, ist die Transferformung. Dieser Prozess ähnelt weitgehend der Spritzgussformung, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass die Transferformmaschine einen Kolben und einen Transferbehälter – anstelle einer Einspritzschnecke – verwendet, um das Rohmaterial in die Formkavität zu drücken.
Für die Verkapselung von Elektronik wird die Transferformung durchgeführt, indem das zu verkapselnde Bauteil in die Formkavität gelegt wird. Harz wird in die Formkavität gedrückt und umschließt das bereits in der Form befindliche Bauteil.
In unserem nächsten Artikel werden wir die Herausforderungen bei der Elektronik-Verkapselung erörtern, darunter Materialvariabilität, elektronische Anfälligkeit, hohe Materialkosten und Unterschiede von Standort zu Standort, und Einblicke in eine technologiebasierte Lösung bieten, die diese Herausforderungen bewältigt.
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