Leistungselektronik Sanfter Schutz für Elektronikbaugruppen

Von Johann Wiesböck

Mit Low Pressure Moulding lassen sich elektronische Bauteile schonend und sicher vor schädlichen Einflüssen schützen. Leistungselektronik-Spezialist Miltronik berichtet über gute Erfahrungen.

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Teile von Steckern mussten frei bleiben, andere extra mit Technomelt abgedichtet werden.
Teile von Steckern mussten frei bleiben, andere extra mit Technomelt abgedichtet werden.
(Bild: Miltronik)

Die Miltronik GmbH & Co. KG entwickelt und produziert seit 1986 elektronische Steuerungen und Bedienpanele für den Sonderfahrzeugbau, Pumpen, Sondermaschinen und Sensoren. Das Familienunternehmen beschäftigt rund 55 Mitarbeiter und erzielte 2020 einen Umsatz in Höhe von 11,5 Millionen Euro. Zu den Projektschwerpunkten gehören intelligente Displays mit Steuerungsfunktionen, Antriebssteuerungen, Zentralelektriken und CAN-Bus-Kommunikation.

Neben der Schaltplanerstellung und dem Leiterplattenlayout begleitet Miltronik seine vorwiegend mittelständischen Kunden bei der Gestaltung der Geräte – von der mechanischen Konstruktion über das Anzeigenlayout bis hin zum Foliendesign. Am Unternehmensstandort in Hilden produziert das Unternehmen Prototypen, Vorserien und Kleinserien von 50 bis 10.000 Stück jährlich.

Für den Schutz der ausgesprochen kundenspezifischen und oftmals steuerungstechnisch komplizierten Produkte benötigt Miltronik in den meisten Fällen speziell angefertigte Gehäuse. Die wenigsten Leiterplatten passen in Standardgehäuse. Je nach Anforderung kamen bisher als Verfahren der Verguss in einer Halbschale oder die Dam-and-Fill-Methode zum Einsatz. Nachteilig bei beiden Verfahren ist die lange Aushärtezeit von rund einem Tag und die damit verbundene lange Standzeit in der Produktion ebenso wie eine hohe Fehleranfälligkeit.

Das Low-Pressure-Moulding-Verfahren

Miltronik suchte nach einer Alternative, individuelle Leiterplatten effektiv, zuverlässig und zugleich kostengünstig zu beschichten. „Auslöser war ein aufwendig zu bearbeitender Kundenauftrag“, berichtet David Kimmerle, Geschäftsführer der Miltronik Steuer- und Leistungselektronik GmbH & CO KG. „Wir trugen im Dam-and-Fill-Verfahren auf beiden Seiten der Leiterplatten individuell eine Kontur mit einem dickflüssigen Damm auf und füllten diese Flächen nach dem Aushärten beidseitig mit einem dünnflüssigen Material auf. Jede Platine musste vier Mal in die Hand genommen werden.“

Das Handling mit Standzeit dauerte einen ganzen Tag und erforderte zudem erheblichen Aufwand bei Kontrolle und Nacharbeit. Als Miltronik vom Kunden einen Folgeauftrag erhielt, wollte das Unternehmen das Vorgehen optimieren, zumal sich die Investition in eine neue Maschine dann schnell rechnen würde. „Wichtig an der neuen Lösung war auch die Optik, so dass wir flexibel beispielsweise ein Logo realisieren können“, so David Kimmerle.

Die Lösung fand das Unternehmen bei der OptiMel Schmelzgusstechnik GmbH. OptiMel ist Pionier im Bereich Niederdruckverguss für sensible Elektronikbauteile und Full-Service-Anbieter für das Low-Pressure-Moulding(LPM)-Verfahren. Das in Iserlohn ansässige Unternehmen mit über 25 Jahren Erfahrung begleitet seine Kunden über den gesamten Implementierungsprozess: von der Technologie- und Projektberatung über den Erwerb des projektspezifischen Verarbeitungsequipments bestehend aus Maschine, Vergusswerkzeug und Peripherie sowie der Technomelt-Vergussmaterialien bis hin zu umfassenden Support- und Serviceleistungen.

Testbetrieb bei OptiMel zum Projektstart

Im ersten Projektschritt musste Miltronik die Vorgaben ihres Kunden umsetzen. Dieser legte beim Produkt großen Wert auf Robustheit und ein hohes IP-Level. Das Material sollte dunkel sein, um kein technisches Knowhow preiszugeben, und gleichzeitig durchlässig für LED-Licht. Nachdem Miltronik diese Anforderungen gemeinsam mit OptiMel bewerkstelligt hatte, war die nächste Hürde zu nehmen.

Die Projektmitarbeiter standen vor der Aufgabe, eine schwierige Kontur zu realisieren und diesen Vorgang prozesssicher zu gestalten: Teile von Steckern mussten frei bleiben, andere extra mit Technomelt abgedichtet werden. „Wir hatten wenig Erfahrung mit dem Problem Haftung und der sich daraus ergebenden Dichtigkeit. OptiMel hat uns dahingehend hervorragend unterstützt und wir konnten durch Konturanpassungen der Leiterplatte und Änderungen der Schichtdicke ein optimales Produkt schaffen“, erzählt David Kimmerle.

Den gesamten Prozess mit allen Iterationsschritten an Produkt und Werkzeug sowie der Erprobung aller Prozessparameter hat OptiMel eng begleitet. „Damit haben wir sichergestellt, dass Miltronik eine perfekt laufende Maschine bekommt und sofort in Produktion gehen kann“, sagt Eva Ranft, Geschäftsführerin der OptiMel Schmelzgußtechnik GmbH.

Und so war es dann auch: Nach der Inbetriebnahme der LPM-Maschine bei Miltronik, lief der Prozess reibungslos und lieferte im kalkulierten Zeitraum gleichbleibend hohe Ergebnisse. „Nach der Schulung unserer Mitarbeiter konnten wir den Prozess verstehen und bereits Anpassungen und Werkzeugwechsel für andere Produkte, beispielsweise Stecker, selbst durchführen“, berichtet David Kimmerle.

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Materialien für Low Pressure Moulding

Aufgrund ihres Eigenschaftsspektrums kommen beim Low Pressure Moulding überwiegend amorphe thermoplastische Polyamid-Granulate zum Einsatz. Die Firma Henkel produziert diese unter dem Namen Technomelt, früher Macromelt. Für spezielle Anwendungen stehen zudem thermoplastische Polyolefine zur Verfügung, beispielsweise, wenn mit den bevorzugten Polyamiden auf den verwendeten Substraten etwa bei vernetztem Polyethylen keine ausreichende Haftung zu erzielen ist.

Durch unterschiedliche Rohstoffkombinationen lässt sich das Eigenschaftsspektrum dieser Hotmelt-Granulate variieren in Bezug auf mechanische Festigkeit, Einsatztemperaturen sowie Beständigkeit gegen verschiedene Medien. Die Hotmelt-Moulding-Materialien sind gut zu verarbeiten. Sie bieten ein für das Niederdruckverfahren günstiges Viskositätsspektrum, einen großen Einsatztemperaturbereich (-50 / + 150°C) und zum Teil sehr gute klebetechnische Eigenschaften.

Je nach Materialkombination erreichen sie Dichtigkeiten bis IP68 und mechanische Festigkeiten zwischen Shore A40 bis D60. Die Hotmelts sind REACH-/RoHS-konform und größtenteils UL94 V-0 oder V-2 gelistet. Sämtliche Technomelt-Moulding-Materialien basieren auf nachwachsenden Rohstoffen und zeichnen sich durch saubere Verarbeitungseigenschaften aus, ohne Lösungsmittel oder sonstige Schadstoffe.

Günstige Lösung und cooles Design

OptiMel und Miltronik sind mit dem Produktergebnis sehr zufrieden, was nicht zuletzt an der guten Zusammenarbeit liegt. „Was dieses Projekt auszeichnet, ist die hervorragende Teamarbeit: das Technik-Knowhow und die langjährige Erfahrung aus vielen realisierten Projekten von OptiMel zusammen mit der Fachkenntnis der Ingenieure von Miltronik, die alle Themen hinsichtlich Funktion und Produktion elektrotechnisch im Auge behielten“, stimmen David Kimmerle und Eva Ranft überein.

Und was das LPM-Verfahren angeht: Miltronik will Low Pressure Moulding künftig verstärkt einsetzen. „Nachfolgeaufträge sind bereits in der Pipeline“, sagt David Kimmerle. „Die Technologie hat uns überzeugt: Sie lässt sich einfach und schnell bedienen, hat eine hohe Reproduzierbarkeit und kurze Prozesszeiten durch schnelles Aushärten. Die erste Serie wies kaum Fehler auf, so dass Nacharbeiten sehr überschaubar waren. Das alles zusammen trägt zur Reduktion der laufenden Kosten bei, wodurch die höheren Anschaffungskosten schnell wettgemacht werden können. Und natürlich begeistern uns die coolen Designs, die nun möglich sind.“

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Vorteile des Low Pressure Moulding

Die Verarbeitung erfolgt mit wesentlich niedrigerem Druck (5 bis 40 bar) als im klassischen Spritzgussverfahren. Daher können auch empfindliche Bauteile wie Leiterplatten oder Sensoren umhüllt werden. Im Gegensatz zum 2-K-Verguss liegt der deutliche Vorteil in wesentlich geringeren Zykluszeiten. Einem – unter Umständen durch nachgeschaltetes Tempern weiter verlängerten – mehr oder weniger zeitintensiven Aushärten stehen kurze Kühlzeiten gegenüber. Die Gesamtzykluszeit beim Low Pressure Moulding liegt in der Regel zwischen 10 und 60 s.

Weiterhin wird bei Low Pressure Moulding, im Gegensatz zum 2-K-Verguss, kein separat zu fertigendes Gehäuse benötigt. Dies führt trotz höherer Materialkosten für den Schmelzklebstoff in sehr vielen Fällen zu einer Einsparung bei den gesamten Fertigungskosten. Low Pressure Moulding bietet viel Potential zur Adaption, nicht zuletzt durch die systematische Modulbauweise und die Variationsmöglichkeiten der einzelnen Komponenten. Die Verarbeitungsanlagen lassen sich an nahezu alle projekt- und produktionsbedingten Erfordernisse anpassen. Auch anspruchsvolle Projekte wie die Verarbeitung großer Leiterplatten oder ein hoher Automatisierungsgrad in der Produktion sind realisierbar.

Optimaler Verguss von Leiterplatten

Hinweis der Redaktion: Der Einsatz des LPM-Verfahrens zum Schutz von Industrie- und Leistungselektronik ist auch Thema auf den Technologietagen Leiterplatte & Baugruppe am 23. und 24. Mai 2022 in Würzburg. Der Vortrag der Firma OptiMel lautet „Herausforderungen und Entwicklungen im Low Pressure Moulding“ und nimmt speziell den Verguss von Leiterplatten in den Fokus. Herausforderungen sind hierbei die Haftung auf Trägermaterialien, der gleichmäßige Verguss von großen Leiterplatten, die Bestückung, der Umgang mit temperaturempfindlichen Bauteilen auf der Leiterplatte sowie die Vermeidung von Luftblasen.

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