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Elektronik optimal verpacken Mechanischer Schutz und effektives Wärmemanagement

Immer dann, wenn elektronische Komponenten mediendicht und schonend gekapselt werden sollen und ein sehr gutes thermisches Management gefragt ist, stellt Direct Injection Moulding eine zielführende Lösung dar. Mit Epoxidformmassen und ausgewählten Füllstoffen lassen sich unterschiedlichste Anforderungen in harschen Umgebungen erfüllen.

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Das Einhausen von Elektronikbauteilen bietet viele Vorteile
Das Einhausen von Elektronikbauteilen bietet viele Vorteile
(Bild: Raschig GmbH)

Umso leistungsstärker Elektronikkomponenten werden, umso höher sind die Anforderungen, Wärme effektiv von der Leiterplatte abzuführen. Beispiele dafür sind Geräte aus der Medizintechnik, Steuerplatinen, Powertools sowie Hochleistungsbatterien und -motoren, die in Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt werden. Von Telefonen bis hin zu Automobilen werden zudem immer mehr Produkte mit 5G-Komponenten ausgestattet, die zusätzliche Elektronik erfordern – was wiederum mehr Wärme mit sich bringt. Für Polymer-Hersteller, Compoundeure und Komponentenhersteller ist somit die Herausforderung des thermischen Managements so groß wie noch nie.

Elektronik auf schonende Weise umspritzen

Mit ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, der guten Chemikalienresistenz und den Möglichkeiten zur Hybridisierung mit anderen Werkstoffen und Substraten bieten duroplastische Formmassen auf Basis von Epoxidharzen (EP) zahlreiche Eigenschaften, die innovative Lösungen für Steuerplatinen und weitere Elektronikbauteile ermöglichen. Sie erlauben ein schonendes Umspritzen der Elektronik bei Werkzeuginnendrücken von lediglich 10 bis 15 bar sowie Temperaturen von 150 Grad Celsius und schaffen auf diese Weise eine verlässliche Mediendichtigkeit, um die empfindliche Elektronik in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zuverlässig vor der Einwirkung durch Flüssigkeiten zu schützen.

Zu weiteren wesentlichen Vorteilen zählen die sehr gute Kostenperformance, die vielfältige Funktionsintegration, die Reduktion von Montageschritten sowie die erhöhte Zuverlässigkeit. Anforderungen an Robustheit und Leichtbau werden gleichermaßen erfüllt, da optimierte Wandstärken zu Gewichtseinsparungen beitragen. Zusätzlich erhöht das Verpacken der Elektronik den Plagiats- und Manipulationsschutz.

Gewünschte Eigenschaften mit Füllstoffen darstellen

Die Duroplast-Rezepturen lassen sich bedarfsgerecht anpassen. Dazu arbeiten Unternehmen aus dem Segment der Spezialkunststoffe wie die Raschig GmbH bereits in der Entwicklung der Rezepturen eng mit 3M zusammen, um durch unterschiedliche Zusammensetzungen der Füll- und Verstärkungsstoffe spezifische Anforderungen zu erfüllen. 3M nutzt die Eigenschaften von Bornitrid, um leichte keramische Füllstoffe herzustellen.

Sie erhöhen die isotrope Wärmeleitfähigkeit und erhalten oder verbessern gleichzeitig die elektrische Isolierung. Zusätzlich kann Bornitrid als Füllstoff auch dazu beitragen, dass metallische Kühlkörper und zusätzliche Isolationsschichten überflüssig werden, wodurch sich Größe, Gewicht und Systemkosten der Komponenten reduzieren lassen. Bornitrid ist ein Material, das aus Bor und Stickstoff besteht und für seine thermische Stabilität sowie die exzellente thermische Leitfähigkeit bekannt ist.

Optimierte Wärmeleitfähigkeit

Im Vergleich zu bekannten Thermoplasten mit einer typischen Wärmeleitfähigkeit von 0,2–0,3 W/m·K weisen standardmäßige EP-Formmassen mit 0,4-0,6 W/m·K bereits eine doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Durch die Aufbereitung mit wärmeleitfähigen Füllstoffen ist eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von duroplastischen Formmassen auf bis zu 10 W/m·K möglich. Die Compounds sind dabei elektrisch isolierend und besitzen elektrische Durchschlagsfestigkeiten von 40–60 KV/mm.

Das Ergebnis ist eine Verkapselung, die chemisch und thermisch hoch beständig ist und zum Beispiel die typischen Anforderungen im Automotive-Segment wie den 85/85-Test und Anwendungsbereiche von –50 °C bis +200°C mit Reserven vollauf erfüllt.

Bedarfsgerechte Rezepturen für unterschiedliche Anwendungen

Bei Anwendungen zur Umhüllung von Komponenten ist es erforderlich, den Längenausdehnungskoeffizienten der EP-Formmasse auf die zu umhüllenden Werkstoffe und Substrate anzupassen. Auch in dieser Hinsicht bieten die 3M Boron Nitride Cooling Fillers mit ihrem nur gering Längenausdehnungskoeffizienten nachhaltige Vorteile.

3M Boron Nitride Cooling Fillers Agglomerates 150.
3M Boron Nitride Cooling Fillers Agglomerates 150.
(Bild: 3M Deutschland GmbH)

Die EP-Formmassen lassen sich somit gewichtssparend mit einem hohen Füllstoffgehalt von 70 bis 80 Gewichtsprozent darstellen. Anwendung finden sie in einer Vielzahl von Automobil-, Elektro- und Elektronikgeräten.

In der Medizintechnik sind duroplastische Formmassen von Vorteil, da sie chemisch höchst beständig, aber auch autoklavenfest und sterilisierbar sind – zu Anwendungen zählen etwa die Steuerelektronik in intensivmedizinischen Apparaten oder Gerätschaften der Dentalchirurgie. Ein weiteres Anwendungsfeld stellen moderne Beleuchtungssysteme dar. Angesichts immer kleinerer Bauräume benötigen Elektronik und LED hier ein besonders effektives thermisches Management.

Entscheidend für eine zielführende DIM-Anwendung zum Einhausen von Elektronikbauteilen ist die Verbindung aus Material- und Fertigungskompetenz bis hin zur individuellen Formgebung. Bereits beim Bauteildesign sollten alle Beteiligten idealerweise frühzeitig einbezogen werden. So lassen sich mit Blick auf die Funktionsintegration weitere Mehrwerte schaffen. Ein Vorteil der duroplastischen Formmassen ist es auch, dass sich direkt Steckerkonturen anspritzen lassen. Aufgrund der Materialeigenschaften kann somit häufig zugunsten weiterer Gewichtseinsparungen auf Schraubbuchsen verzichtet werden.

Fazit: Einhausen birgt noch viel Potenzial

Endumspritztes Bauteil der Raschig GmbH
Endumspritztes Bauteil der Raschig GmbH
(Bild: Raschig GmbH)

Die Direktverpackung von Elektronikbauteilen in duroplastische Materialien bringt erheblichen Nutzen mit sich, vom effektiven thermischen Management über Kostenperformance bis zum Schutz der Elektronik in harschen Umgebungen. Die wachsende Zahl an Anwendungen eröffnet für Kunststoffverarbeiter vielfältige Perspektiven. Die Umrüstung der Maschinen von thermoplastischen auf duroplastische Werkstoffe ist dabei mit geringem Aufwand möglich. Nahezu alle Maschinenhersteller bieten dazu Optionen, um auf effektive Weise in wenigen Stunden das Plastifizieraggregat zu tauschen. Das Einhausen von Elektronik kann somit in immer mehr Anwendungsbereichen vielfältige Vorteile unter Beweis stellen.

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