Beth Turner, Senior Technical Manager bei Electrolube, nimmt den Faden ihrer früheren Blogs wieder auf, um zu beschreiben, wo Gießharze derzeit eine wichtige Rolle in der modernen Welt spielen, und bietet gleichzeitig einen Einblick in ihre Wärmeleitfähigkeit, ihre Eignung für HF-Anwendungen und die Erkundung einer neuen Ära auf nachwachsenden Rohstoffen basierender Vergussmassen, die nicht nur ganz allgemein einen Beitrag zur Verbesserung der Umwelt leisten, sondern auch mit hoher Zuverlässigkeit die Zufriedenheit der Anwender und Verbraucher erhöhen… Ihre Einlassungen zur Performance dieser Öko-Harze der nächsten Generation müssen Sie gelesen haben. Also lassen Sie uns ohne Umschweife direkt mit unserem Fünf-Punkte-Format beginnen.
1) Wärmeleitende Vergussmassen – Warum sollten Sie eines dieser Harze anstelle einer herkömmlichen Wärmeleitpaste oder TIM verwenden?
Wärmeleitpasten werden häufig zwischen wärmeerzeugenden Komponenten und Kühlkörpern eingesetzt, um die Wärmeübertragung zu maximieren, die Zuverlässigkeit der Geräte zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Dies ist auf ihre hohen Wärmeleitfähigkeitswerte zurückzuführen, und wenn sie als dünne Schicht aufgetragen werden, weist der thermische Pfad in der Regel auch nur einen geringen Wärmewiderstand auf. Durch das Aufbringen einer dünnen, gleichmäßigen Schicht eines thermisch leitenden Materials lässt sich eine maximale Effizienz der Wärmeableitung erzielen. Bei LEDs, die regelmäßig ein- und ausgeschaltet werden, führt dies dazu, dass das Gerät einen thermischen Zyklus durchläuft, sich beim Einschalten erwärmt und beim Ausschalten wieder abkühlt. Während der Lebensdauer des Produkts finden viele Wärmezyklen statt, was die Positionierung einer Wärmeleitpaste im Laufe der Zeit beeinflussen kann. Mit anderen Worten: Eine schlecht formulierte Paste kann mit der Zeit wandern und so die Effizienz des thermischen Übergangs verringern.
Wärmeleitende Gießharze können als alternative Lösung verwendet werden, um “die Dinge kühl zu halten”. Solche Vergussmassen bieten auch viele andere Vorteile mit Mehrwert, wie z.B. mechanischen Schutz. Wenn der Schutz von Bauteilen vor mechanischen Stößen und Vibrationen ein Anliegen ist, dann ist eine wärmeleitfähige Vergussmasse wahrscheinlich die beste Lösung, da sie einen gewissen Grad an Stabilität(?) hinzufügt, der dazu beiträgt, die vergossenen Bauteile gegen ungünstige mechanische Bewegungen zu isolieren. Der Erzfeind elektrischer und elektronischer Geräte ist die gefürchtete “Feuchtigkeit”. Sie verursacht nicht nur Kurzschlüsse, sondern auch Korrosion, die zu einer vorzeitigen Schädigung der Bauteile führt. Möglicherweise müssen Sie elektrische oder elektronische Bauteile auch vor dem Kontakt mit Chemikalien wie Säuren, Laugen, Lösemitteln und anderen Substanzen schützen, die eine Gefahr für empfindliche Schaltkreise und Bauteile darstellen. Die Verkapselung mit einem wärmeleitenden Harz trägt dazu bei, die Bauteile vor all diesen rauen äußeren Faktoren zu schützen. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass undurchsichtige Verguss- und Überzugsharze nicht nur alle oben genannten Schutzfunktionen bieten, sondern auch die darunter liegenden Bauteile verbergen. Dies kann ein wirksamer Schutz gegen Raubkopierer sein, die ein Schaltungslayout nachbauen wollen, und hilft Ihnen so, Ihr geistiges Eigentum zu schützen.
2) Welche Chemie (wenn überhaupt) eignet sich für die Wärmeleitfähigkeit – d.h. Epoxid, PU oder Silikon?
Epoxid-, Polyurethan- und Silikon-basierte Matrix-Materialien können grundsätzlich alle zum Aufbau von Vergussmassen mit hohen Wärmeleitfähigkeitswerten dienen. Die Wärmeleitfähigkeit wird von der Art des verwendeten Füllstoffs, der Partikelgröße, des Partikelgemisch und der Morphologie bestimmt. Wenn diese vier Faktoren als Teil des Produktdesigns sorgfältig berücksichtigt werden, erhält man Vergussmassen mit hohen Wärmeleitfähigkeitswerten, unabhängig von der reaktiven Chemie, die den Füllstoff an seinem Platz hält.
Aus dem Electrolube-Sortiment bietet ER2220 das höchste Maß an Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit dem Schutz vor den Einsatz- und Umweltbedingungen, der durch den Verkapselungsprozess gewährleistet wird. Dieses hochgefüllte Epoxidharz besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 1,54 W/m.K. Die Wärmeleitfähigkeit, gemessen in W/m.K, gibt die Fähigkeit eines Materials an, Wärme zu leiten. Die Werte der Wärmeleitfähigkeit geben einen guten Hinweis auf den zu erwartenden Grad der Wärmeübertragung und ermöglichen einen Vergleich zwischen verschiedenen Materialien. Electrolube, ein Geschäftsbereich von MacDermid Alpha Electronics Solutions, wendet bei der Messung der Wärmeleitfähigkeit unter anderem die MTPS-Methode (Modified Transient Plane Source) an, um genaue Vergleiche der Wärmeleitfähigkeit zu ermöglichen. Beachten Sie, dass es verschiedene Methoden zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit gibt, wenn Sie Datenblätter verschiedener Anbieter vergleichen.
3) Abgesehen von den offensichtlichen Vorteilen für die Umwelt, welche weiteren Vorteile sind von biobasierten Gießharzen zu erwarten, und gibt es noch mehr von Electrolube zu erwarten?
Abgesehen von den offensichtlichen Vorteilen für die Umwelt bietet die Verwendung biobasierter Harze viele Vorteile. Die Forschung hat gezeigt, dass die Qualität der Leistung erheblich verbessert werden kann. Gießharze, deren reaktive Komponente aus biobasierten Rohstoffen stammt, können in rauen Umgebungen eine bessere Leistung aufweisen, insbesondere ihre elektrische Isolierung unter heißen, feuchten Bedingungen im Vergleich zu reaktiven Komponenten, die aus Erdöl stammen. Ein Vergleich von biogenen Pulvern mit mineralischen Gesteinspulvern zeigt, dass nachwachsende Rohstoffe zur effektiven Wärmeableitung von Geräten mit hoher Leistungsdichte verwendet werden können und einen besseren Schutz im submarinen Einsatz sicherstellen.
Es kann auch gesundheitliche und sicherheitstechnische Vorteile geben, z.B. basiert das Aushärtungsmittel oder der Härter, der üblicherweise für Polyurethane verwendet wird, auf Methylendiphenyldiisocyanat (MDI); Rohöl ist ein wichtiger Rohstoff für die Synthese von MDI. MDI sensibilisiert die Atemwege und ist gesundheitsschädlich, wenn die Dämpfe eingeatmet werden. Aus Sicht des Arbeitsschutzes enthält es das Piktogramm “Explodierender Brustkorb” (GHS08/Gesundheitsgefahr). Wir können diesen Härter durch alternative, aus biologischen Quellen gewonnene Reaktionsmittel ersetzen, die das GHS08-Piktogramm nicht enthalten und für die Anwender wesentlich sicherer sind.
4) Eignen sich Bioharze für RF-Anwendungen?
Das tun sie ganz sicher. Electrolube UR5645 hat einen Anteil von mehr als 60 % nachwachsender Rohstoffe. Es handelt sich um ein ungefülltes Polyurethanharz, das sich aufgrund seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante (relative Dielektrizitätskonstante) in Sensoranwendungen bewährt hat. Die meiste IoT-Kommunikation findet im Bereich des Funkfrequenzspektrums statt. Eine niedrige Dielektrizitätskonstante ist wichtig, um sicherzustellen, dass das Gießharz das RF-Signal nicht stört. UR5645 realisiert eine hervorragende elektrische Isolation über einen weiten Betriebstemperaturbereich, was für eine langlebige Leistungsfähigkeit der Baugruppe auch erforderlich ist. Seine hohe Zähigkeit bietet Schutz vor mechanischen Stößen und Vibrationen. Es verfügt über eine gute Beständigkeit gegen viele schädliche Substanzen, was es zur idealen Wahl für den robusten Schutz von Sensoren macht, die rauen Einsatz- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
5) Welche Art von Testprogrammen haben diese neuen Bioharze durchlaufen?
Die Bioharze wurden ausgiebig getestet. Es gibt die weit verbreitete Ansicht, dass eine Umstellung auf umweltfreundliche oder biobasierte Produkte eine Art Kompromiss in Bezug auf Qualität und Leistung bedeutet. Für die neue Produktlinie, die einen hohen Anteil an nachwachsenden biologischen Rohstoffen enthalten sollte, waren extreme Tests von vornherein unerlässlich, um einerseits wertvolle Daten zu gewinnen, aber auch keine Zweifel an ihrer Leistungsfähigkeit aufkommen zu lassen. Die Einstiegshürden für Vergussmassen auf dem Elektronikmarkt sind im Vergleich zu anderen Möglichkeiten des Schutzes wie z.B. Schutzlacke relativ niedrig. In der Regel wird ein Großteil der Gießharze von den Kunden selbst qualifiziert, indem sie das Harz entweder für ihre eigene Anwendung prüfen oder nicht. Es gibt keine formale “Industrienorm”, die ein spezifisches Testkriterium vorgibt, was vor allem daran liegt, dass jede Anwendung wirklich einzigartig ist.
Um nur einige der Tests in Erinnerung zu rufen, denen diese neuen Bioharze unterzogen wurden: Oberflächenisolationswiderstandsprüfung (SIR) auf Kupfer- und Zinn-beschichtetet B-24-Testleiterplatten bei 85°C/85% relativer Luftfeuchtigkeit, um sicherzustellen, dass die Verkapselung unter feucht-heißen Bedingungen elektrisch isolierend bleibt; Volumenwiderstand vor und nach dem Eintauchen in Wasser und Salzwasser, um sicherzustellen, dass der Verguss bei Unterwasseranwendungen elektrisch isolierend bleibt; Thermoschockprüfung, -40°C bis +85°C für Kunststoffgehäuse und -40°C bis +125°C für verzinkte Stahlgehäuse, um bei diesem beschleunigten Lebensdauertest auf Risse oder Haftungsverluste zu achten; 1000 Stunden thermische Alterung wurden an Proben des Typs IV gemäß ASTM D638 durchgeführt; die Zugfestigkeit und die Dehnung wurden vor und nach der Hochtemperaturaussetzung für 100, 500 und 1000 Stunden gemessen, um die Beständigkeit der physikalischen Leistung bei langfristiger Hochtemperaturaussetzung zu überwachen und die maximale Betriebstemperatur zu bestimmen. Es wurden zahlreiche beschleunigte Lebensdauertests durchgeführt, um die Leistung neuartiger biobasierter Materialien neben handelsüblichen Harzen aus Erdöl und mineralischen Gesteinspulvern zu bewerten. Der Vergleich der Daten zeigt, dass “grüne” Materialien sowohl bei Unterwasseranwendungen als auch in heißen und feuchten Betriebsumgebungen Leistungsvorteile bieten können.
Vergussmassen spielen eine wesentliche Rolle, wenn es darum geht, dass ein elektronisches Produkt mindestens seine vorgesehene Lebensdauer übersteht, oft sogar weit darüber hinaus. Ob chemisch, physikalisch oder thermisch, unter welchen Bedingungen auch immer, es gibt ein Gießharzsystem, das gefunden oder entwickelt werden kann, um den erforderlichen Schutz zu bieten. Ich hoffe, es hat Ihnen gefallen, mehr über die Vorteile biobasierter Harze zu erfahren und darüber, was sie für Ihre Anwendungen leisten können. Ich hoffe, dass ich Ihnen in den kommenden Monaten weitere nützliche Tipps und Konstruktionshinweise geben kann, die denjenigen, die für den Schutz von Komponenten und bestückten Leiterplatten verantwortlich sind, das Leben ein wenig leichter machen.
