8. Coating Innovation Forum der Lackwerke Peters

Elektronische Baugruppen mit Schutzlack und Vergussmasse erfolgreich schützen und testen

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Die Lackwerke Peters aus dem niederrheinischen Kempen zählen sich zu den weltweit führenden Anbietern von Stopplacken für die Leiterplatte sowie Schutzlacken und Vergussmassen zum Schutz von elektronischen Baugruppen. Zweimal jährlich lädt das Unternehmen Anwender aus dem Bereich der Baugruppenfertigung sowie Equipment-Hersteller für die Applikation der Schutzbeschichtungen und zur Inspektion der Baugruppen zum Coating Innovation Forum ein.

Frank Hoiboom, HPR, Goch

Geschäftsführer Ralf Schwartz begrüßte die Teilnehmer und stellte nicht ohne Stolz als jüngstes Mitglied der Geschäftsführung seine Tochter Britta vor. Durch ihren Eintritt sei die Nachfolge im „globalen Familienunternehmen“ gesichert. Die charmante, junge Geschäftsführerin werde 2019 für ein Jahr nach China gehen, um sich dem Asiengeschäft zu widmen. Dort hatte das Unternehmen im Rahmen seiner Expansion die Peters Asia Pacific gegründet. „Wir müssen Asien bedienen, um in Europa zu überleben“, verdeutlichte Schwartz. Die Hauptbasis bleibe aber in Europa, versicherte er. Schließlich gehörte Unternehmensgründer Werner Peters zu den „Vätern der Leiterplatte“, als diese in Europa Mitte der 50er Jahre entwickelt wurde.

Heute zählt das innovationstreibende Traditionsunternehmen in Deutschland rund 160 Mitarbeiter, davon alleine 32 – vorwiegend Ingenieure – im Bereich „Peters Research“. Die F&E-Aufwendungen betragen stolze 12 % der Gesamtkosten der Unternehmens-Gruppe. Ein dichtes Netz aus 65 Vertretern betreut weltweit gut 3.600 Kunden in 87 Ländern. Der Jahresumsatz der Unternehmensgruppe wuchs in 2017 um 16 % auf 33 Millionen Euro. Für das laufende Jahr prognostizierte Schwartz einen ähnlichen Wachstumsschritt. Während man in der D-A-CH-Region über eine stabile Kundenstruktur verfüge, blicke man mit etwas Sorge nach Frankreich und Großbritannien und die dortige Entwicklung. Hauptgeschäft sind die Elpeguard-Schutzlacke, mit denen das Unternehmen nach Angaben des Geschäftsführers zu den Top-3-Anbietern weltweit gehöre.

Rüdiger Dietrich, Lackwerke Peters

Schutzlacke aktuell

Durchschnittlich 16 Jahre Lebensdauer und 250.000 km Fahrleistung legt man heute bei einem Pkw zugrunde. Und so lange sollten im besten Falle auch die elektronischen Baugruppen im Fahrzeug ihren Dienst tun. Einen wichtigen Beitrag leisten dabei Schutzlacke oder Vergussmassen gegen Feuchtigkeit und somit Kurzschlüsse. Diese Schutzbeschichtungen lassen sich in drei große Kategorien einteilen: Nach Lösungsmittelgehalt, nach Bindemittel und nach Trocknung   Vernetzung.

Stark lösungsmittelhaltige Lacke „Standard CC“ enthalten bis zu 60 % Lösungsmittel. Die Basisharze als „Backbone“ bleiben auf der Baugruppe erhalten, während die Lösungsmittel sich beim Trocknen und Aushärten verflüchtigen. Dadurch reduziert sich die ursprüngliche Lackschicht teilweise signifikant. Dies muss beim Lackauftrag zuvor einkalkuliert werden, um eine definierte Schutzschicht nach Trocknung zu erhalten. Dieses Phänomen gibt es bei UV-Lacken und Vergussmassen nicht.

Bei der Charakterisierung von Schutz- und Dickschichtlacken nach Bindemittel wird nach den enthaltenen Harzen unterschieden: Acryl, Epoxid, Polyurethan oder Silikon. Je nach Zusammensetzung ergeben sich verschiedenartige Schutzeigenschaften gegen Feuchtigkeit, Chemikalien, Abrieb oder Temperatur. Aber auch die Nachteile variieren: Hoher Lösemittelgehalt, langsame Aushärtung / Vernetzung, geringe Reparaturfähigkeit, aufwändiges Handling, geringere Haftung oder höhere Kosten. Schließlich unterscheiden Experten nach Trocknung / Vernetzung von Schutzlacken, wie rein physikalische Trocknung, oxidative Härtung, mit Hilfe von Belichtung oder UV-Härtung.

Die richtige Auswahl des passenden Lackes ist von großer Bedeutung, je nachdem welche Effekte man erreichen möchte: Hohe Kantenabdeckung, weiß deckend oder schwarz für LED-Licht-Anwendungen, bis 500 µm Schichtstärke als Berührungsschutz oder aber Lacke für die LED-UV-Härtung ohne Ozon. Schließlich gibt es lösemittelbasierte 2K-Schutzlacke, die maschinell mit entsprechenden Misch- und Dosieranlagen auch im Konti-Betrieb aufgebracht werden können. Sie weisen eine erhöhte Temperaturbeständigkeit bis 155 °C auf, sind chemisch besonders resistent und erlauben Einsatz in heißen Ölen und Benzinen.

Sven Kramer, Lackwerke Peters

Schutzlacke versus Vergussmassen im Bereich LED

Wichtigste Entscheidungskriterien bei dieser Auswahl sind die Ansprüche an chemische Widerstandsfähigkeit, Feuchtigkeit und Betauung. Dabei unterscheiden sich Lacke und Vergussmassen in vielerlei Hinsicht:

  • 20 – 300 μm vs. praktisch beliebige Schichten
  • Feuchtebelastung vs. Unterwassereinsatz
  • Schutz gegen Feuchte / Betauung vs. Schutz auch gegenüber „Chemie“
  • Meistens 1-K vs. 2-K System
  • Typisch anspruchslose Vorbereitung / Verarbeitung vs. aufwendiges Mischen
  • Sie erfüllen aber auch noch ganz andere Funktionen, wie Sichtschutz, Schutz von Knowhow, Wärmeableitung, mechanischer Schutz oder Fixierung.

Schutz- und Dickschichtlacke sind, rein wirtschaftlich betrachtet, zunächst deutlich günstiger als 2K-Vergussmassen. Überdies sind sie wesentlich einfacher zu applizieren und meistens als Schutz völlig ausreichend. Werden die Ansprüche durch rauere Umgebung jedoch höher, so lohnt sich die Investition in die teureren Vergussmassen, zum Beispiel bei der Beschichtung von High Power LEDs, Einsatz im Außenbereich bei hoher Feuchtigkeit oder Temperatur oder gar unter Wasser.

Hakan Cücük, Zestron High Precision Cleaning

Vorteile der Reinigung bei Beschichtungsprozessen

Normen für die Reinheit und Sauberkeit in der Elektronikfertigung geben die Standards des IPC und der Leitfaden GfKORR vor. Wann jedoch genau gereinigt werden muss, hängt auch von der Umgebung und Sauberkeit in der Fertigung ab. Daher ist eine Bewertung der Reinheit der Baugruppe vor der Beschichtung unerlässlich. Untersucht werden sollten die ionische Kontamination (0,4 μg/cm²), die Oberflächenspannung (40 mN/m) sowie Rückstände von

Fluxern, Resin oder Vernetzungsgifte, wie Zinn etc. Dies geschieht mittels Ionenchromatografie, wobei ionische Kontaminationen nach ihrer Art ermittelt werden. Verunreinigungen führen meist zur Delamination des Oberflächenschutzes, wobei höhere Schichtdicken keinen Vorteil bringen, wenn die Haftung unzureichend ist. Löten mit No Clean Paste bedeutet nicht: „Man muss gar nicht reinigen!“

Verunreinigungen vor dem Beschichten können diverse Fehlerbilder hervorrufen:

  • Lack-Delamination bei Temperaturwechsel
  • Rissbildung bei Coatings
  • Bitfehler bei HF Schaltungen
  • Hygroskopisch – Delaminationsgefahr
  • Korrosionsgefahr bei Anschlusskontakten
  • Gefahr von Kriechströmen
  • Blockierung der Vernetzungsreaktion, Folge: mangelnde Haftung, Unterwanderung
  • Sie ergeben einen Film mit formtrennmittelartiger Wirkung

Eine Fehlersuche in Nachhinein ist schwierig, da ein Ablösen des Lackes die Baugruppe meist zerstört. Daher ist die Reinheit unbedingt vor der Beschichtung zu prüfen, da eine gute Reinigung die Haftkraft signifikant erhöht.

Als schnelle und einfache Prüfmethode für beschichtete Baugruppen hat das Unternehmen den CoRe-Test (Coating Reliability) entwickelt, eine Methode, um vor monatelangen Klimatests Schwachstellen zu erkennen. Dabei wird VE-Wasser punktuell mit einer Spritze dort auf die Baugruppe aufgetragen, wo die größten Potentialunterschiede auftreten und Auffälligkeiten vermutet werden können. Diese Bereiche können auch mittels einer Heißklebepistole mit einem Damm umgeben werden. Nach dem Anlegen eines Ruhestroms an die Baugruppe erkennt man mit der Zeit an Fehlstellen eine Gas-Entwicklung. Durch die Wechselwirkung zwischen Anode und Kathode zwischen den Leiterzügen kann es zu Ionenmigration, zu Kupferfaden-Bildung und schließlich Kurzschlüssen kommen.

Mit dem CoRe-Test können elektrochemische Migration, korrosionsinduzierte Kriechströme und Unterbrechungen, Beschichtungsfehler und mangelnde Beschichtungshaftung detektiert werden.

Holger Leiner, Lackwerke Peters

Die perfekte Beschichtung – Typische Fehler und wie man sie vermeiden kann

„Was nicht gut aussieht, ist in der Regel auch nicht gut“, resümierte Leiner und griff viele der bereits zuvor beschrieben Fehlerbilder nochmals auf, die Haftungsprobleme durch Verunreinigungen verursachen. Diese können auch nicht durch umso dickere Schichtstärken von Schutzlacken ausgeräumt werden. Zu dick aufgetragener Schutzlack trocknet an der Oberfläche und wird dadurch undurchlässig für die Lösungsmittel im darunter liegenden Bereich, der dadurch nicht vollständig durchtrocknen kann.

Typische Schichtdicken von Dünnschicht-Lacken liegen im Bereich von 20 – 50 μm, maximal bei 100 μm, von Dickschicht-Lacken bei 1 mm (Mikro-Verguss). Ob ein Beschichtungsmaterial für Dünn- oder Dickschichtanwendungen geeignet ist, hängt unter anderem von Elastizität, Festkörpergehalt, Viskosität und Härtungsmechanismus ab. Auch sollte das Material in sehr gelichmäßiger Stärke aufgetragen werden. Neben der Wahl der richtigen Schutzbeschichtung für die jeweilige Applikation kommt auch dem passenden Beschichtungsprozess große Bedeutung zu.

Applikationsbedingte Blasen treten häufig an den Kanten der Bauteile auf. Diese können auch durch expandierende Luft unterhalb der Bauteile beim Trocknen verursacht werden. Bei Nass-in-Nass-Beschichtung bei der selektiven Beschichtung treten Blasen im Überlappungsbereich auf. Eine Optimierung des Beschichtungs-programmes ist notwendig, um dem Lack die Möglichkeit zu geben, die Luft zu verdrängen. Schließlich ist die richtige, genügend lange Trocknung ungekapselt bei Raumtemperatur oder im Ofen noch maßgeblich für ein gutes Resultat oder aber eine fachgerechte, schnellere UV-Härtung, je nach Schutzmedium. Die Haftfestigkeit kann mit dem bekannten Gitterschnitttest einfach geprüft werden.

Gerd Schulze, Nordson Asymtek

Automatische und selektive Schutzbeschichtung

Konstruktiv wird die Schutzbeschichtung in der Designphase meist leider nicht berücksichtigt. Doch nur in den wenigsten Fällen kann komplett beschichtet werden, so müssen Steckerleisten, Sockel oder mechanische Bauteile ausgespart werden. Dies erfordert vollautomatisiert konturgenaues Beschichten mit gleichmäßiger Schichtstärke, bei dennoch hohem Durchsatz, hoher Präzision und maximaler Flexibilität. Der Mehraufwand für das konventionelle Aufbringen von Kappen, Masken und Abdeckbänder sowie für das anschließende Reinigen und Nacharbeiten hingegen ist erheblich. Es bedeutet zusätzliches Handling und Kosten.

Bei den Applikationsverfahren gibt es große Unterschiede hinsichtlich der Technologie und die richtige Methode will eingesetzt sein:

  • Luftunterstützte Sprühverfahren
  • Geschlossener Lackvorhang ohne Luftunterstützung
  • Kontaktlose Jet-Verfahren mit Pulsweitenmodulation
  • Dispense-Verfahren
  • Praxis der Schutzlackierung

Durch Feuchtigkeitseinschluss unter der Schutzbeschichtung verursachte Korrosion, Kriechströme oder Kurzschlüsse durch Kupferfadenbildung aufgrund Ionenwanderung führen zum Ausfall der Baugruppe. Imageschaden durch Rückrufe und hohe Regressforderungen können immens sein. Daher subsummierte Klingel nochmals die Bedeutung von Baugruppenreinigung und Trocknung vor Beschichtung für eine optimale Haftung, einer applikationsgerechten Wahl der passenden Beschichtung in der richtigen Stärke von Dünnschicht bis Vollverguss sowie gezieltes Elektronikdesign für eine preisgünstige und prozesssichere Beschichtung.

In Abhängigkeit von Menge, Durchsatz, Automatisierungsgrad, Schutzanforderung, Stoff und Layout der Baugruppe wird die richtige Applikationsmethode gewählt, vom Auftrag mit Pinsel oder Spraydose, Spritzen, Tauchen, Fluten, CNC-Sprühen, Gießen, Jetten oder Dispensen. Wer den Gesamtprozess von vorne herein richtig plant, vermeidet aufwändige und teure Fehlerkorrektur und Nacharbeit.

Jens-Hendrik Klingel, KC-Produkte

Praxis des Vergusses

Verguss ist anspruchsvoller zu planen als Lack. Als Faustregel gilt: Ab 250 µm Schichtdicke und wenn alle Bauteile überdeckt werden, dann ist der Verguss die Methode der Wahl. Dieser kann auch partiell erfolgen und ist immer aufwändiger, da ein Zwei-Komponenten-Produkt, das angemischt werden muss. Ein Vollverguss erfolgt in dafür designten Gehäusen. Auch die Leiterplatte sollte darauf abgestimmt sein und zum Beispiel Löcher aufweisen, damit die Vergussmasse auch alle Stellen unterhalb der Platine erreicht und ausfüllt. Bei einem Teilverguss liegen Schalter und LED noch offen.

Bei einem Selektiv-Verguss ohne Gehäuse werden Formen zur Abgrenzung auf der Baugruppe aufgebracht, die heute schon in kleiner bis mittlerer Stückzahl mittels 3D-Drucker hergestellt werden. Die Trocknung und Aushärtung findet unter Normalatmosphäre statt oder aber in Vakuumkammern ohne Luft und Feuchtigkeit.

Rudolf Heicks, Heicks Parylene Coating

Parylenebeschichtung – Dauerhafte Versiegelung elektronischer Baugruppen mit extremen Anforderungen

Die Parylenebeschichtung ist ein außergewöhnliches Schutzbeschichtungsverfahren. Dabei wird ein Kunststoffgranulat auf 700 °C erhitzt. Es entsteht ein Gas, welches sich in einer Vakuumkammer unter Eliminierung von Luft und Feuchte auf der Baugruppe abscheidet. Das Gas erreicht jede Stelle und scheidet sich extrem gleichmäßig, auch an Bauteilkanten, in einer Schichtdicke von 10 – 25 µm ab. Da es sich um eine vollflächige Beschichtung handelt, müssen ungewollte Flächen anschließend mittels Laser wieder freigelegt werden. Parylene ist eine teflonartige Beschichtung, resistent gegen nahezu alle Stoffe.

Diese dünne, leichte Beschichtung ist aus Gewichtsreduktionsgründen interessant, wo Verguss zu schwer wäre, so in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobil oder in der Medizintechnik bei Herzschrittmachern. Da lösungsmittelfrei, gilt sie auch als „grüne“ Kapselung von Baugruppen. Im Vergleich schlägt Parylene nahezu alle Schutzbeschichtungen, es ist jedoch nicht dauerhaft UV-beständig, die Bauteile müssen vakuumfest sein und die Prozesszeit dauert zwölf bis 20 Stunden in der Vakuumkammer. Auch ist das Verfahren nicht ganz preiswert und daher nur für hochwertige Anwendungen.

Holger Leiner, Lackwerke Peters

Vergussmassen für die Elektronik

Vergussmassen sind auf dreierlei Basen verfügbar: Polyurethanharz (PUR), Silikonkautschuk und Epoxidharz (EP). Die richtige Wahl wird nach folgenden Kriterien getroffen: Wärmeentwicklung bei der Aushärtung, Volumenschrumpf, Schrumpfdruck, Elastizität oder Härte nach der Trocknung, Haftung und maximale Einsatztemperatur.

Interessant ist zum Beispiel transparenter Verguss bei moderner LED-Lichttechnik, wobei dieser im Laufe der Zeit nicht vergilben darf. Er kann auch individuell eingefärbt werden für Lichtwerbung. Nur durch die richtige Auswahl eines geeigneten Beschichtungssystems in Verbindung mit einer optimalen Verarbeitung kann umfassender Schutz der Baugruppe gewährleistet werden. Die Anwendung bestimmt die Auswahl!

Ausflug in Praxis

Das Coating Innovation Forum hatte durch Equipment-Vorführungen und eine Betriebsführung einen hohen Praxisbezug. Der CoRe-Test von Zestron konnte ebenso live miterlebt werden, wie die automatische Selektive Beschichtung von Nordson Asymtek, die UV-Härtungstechnologie des Herstellers Elget, eine Lackieranlage von Rehm Thermal Systems, die Conformal Coating Inspection von Modus oder eine Misch- und Dosieranlage von Hilger und Kern.

Das nächste Peters Coating Innovation Forum findet am 19. und 20. September 2018 statt. Die Termine für die Veranstaltungen im Frühjahr und Spätsommer 2019 werden frühzeitig auf der Website des Unternehmens bekannt gegeben.

www.peters.de



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