Silikon-Vergussmassen für die Elektronikfertigung Maßgeschneiderte Materialien und ihre Analytik

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Ob in Leistungselektronik, Medizintechnik oder Batteriemodulen: Silikon-Vergussmassen sind entscheidend für Zuverlässigkeit und Langlebigkeit. Das Fraunhofer ISC zeigt, wie sich durch gezielte Materialentwicklung und Analytik maßgeschneiderte Silikone für spezifische Anforderungen realisieren lassen.

In der modernen Elektronik spielen Vergussmassen für elektronische Bauteile eine wichtige Rolle. Je nach Anforderung werden dafür Gießharze mit hoher Festigkeit oder auch Elastomere mit isolierenden und dämpfenden Eigenschaften eingesetzt. Sie finden in zahlreichen Industrien Anwendung, um die Haltbarkeit, Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten und Baugruppen zu steigern. 

Materialien und Eigenschaften

Silikone – mit chemischem Fachnamen benannt ‚Poly(organo)siloxane‘ – nehmen hier sowohl als Elastomere als auch als gelartiges Gießharz aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und der großen Variationsbreite an Eigenschaften eine besondere Stellung ein. Ein besonderer Vorteil von Silikon-Vergussmassen ist neben der hohen thermischen Stabilität der exzellente mechanische, physikalische und chemische Schutz, den sie für elektronische Komponenten bieten: Sie verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit, Staub, Schmutz und chemischen Substanzen, wodurch Korrosion von Metallteilen vermieden wird. Weiterhin schützen sie die Bauteile vor Vibrationen, Stößen und anderen physikalischen Belastungen während Transport und Betrieb. Da sie außerdem über eine gute Biokompatibilität verfügen, sind sie auch für den Einsatz in der Medizintechnik prädestiniert.

Zudem können Silikone eine hervorragende elektrische Isolation gewährleisten, die Kurzschlüsse und Störungen durch benachbarte Geräte verhindert. Die effektive Isolationswirkung reduziert auch das Risiko von Kriechströmen und Lichtbögen zwischen dicht nebeneinander liegenden elektrischen Leitungen. Ebenso können durch den Einsatz von Silikonen Korrosion und Dendritenbildung an elektrischen Leitern verhindert werden, sodass die Sicherheit elektronischer Geräte erhöht wird. Dabei lassen sich die elektrischen Eigenschaften in einem weiten Bereich nach Bedarf einstellen.

Thermisch leitfähig eingestellte Silikon-Vergussmassen können zudem die durch elektronische Bauteile erzeugte Wärme effizient ableiten, wodurch Überhitzung und temperaturbedingter Stress selbst in anspruchsvollen thermischen Umgebungen vermieden werden.

Durch den umfassenden Schutz vor Umwelteinflüssen und mechanischen Belastungen verlängern Silikone so die Lebensdauer elektronischer Komponenten und Systeme und erhöhen deren Zuverlässigkeit. Der Nutzen liegt auf der Hand: geringere Wartungskosten und weniger Ausfälle. Aufgrund ihrer variationsfähigen Chemie bieten Silikone dabei hervorragende Möglichkeiten, spezifische Eigenschaftsprofile zu erzeugen, je nach den individuellen Anforderungen. Nicht alle gewünschten Eigenschaften werden dabei durch kommerzielle Standardsilikone erreicht, doch mit dem entsprechenden materialwissenschaftlichen Know-how lassen sich auch für besondere Anforderungen Spezialsilikone herstellen.

Entwicklung maßgeschneiderter Polymermaterialien

Das Center Smart Materials and Adaptive Systems (CeSMA) am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC fokussiert auf die Entwicklung innovativer, maßgeschneiderter Materialien, die den spezifischen Anforderungsprofilen moderner Anwendungen gerecht werden. Wo handelsübliche Standardsilikone an ihre Grenzen stoßen, ermöglicht CeSMA, spezialisierte Elastomercompounds mit angepassten Eigenschaftskombinationen zu entwickeln.

Ein zentraler Aspekt der Forschung des CeSMA ist die genau auf die individuellen Spezifikationen zugeschnittene Rezepturentwicklung von Silikonmaterialien. Um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, werden Additive (etwa Füllstoffe, funktionelle Partikel oder Zuschlagstoffe) gezielt in das Silikonmaterial eingearbeitet. Zur Erreichung der maximalen Funktionalität, insbesondere in Bezug auf elektrische Isolation, thermische Leitfähigkeit und mechanische Festigkeit, kann das Silikonmaterial aber auch selbst an die jeweiligen Additive angepasst werden. Dadurch lassen sich hohe Füllgrade (und damit hohe Funktionalitäten) realisieren, ohne dabei die Elastizität oder Verarbeitbarkeit des Materials wesentlich zu beeinträchtigen. Die Verarbeitungsviskosität des funktionalen Elastomercompounds kann dabei an die vorhandene Dosiertechnik für den Vergussprozess angepasst werden – auch ohne den Einsatz von Lösemitteln. Ein für die Verarbeitung vorteilhafter Faktor ist dabei die Scherverflüssigung der Silikone beim Auftrag. Diese thixotrope Eigenschaft ermöglicht es, selbst bei relativ hohen Viskositäten eine schnelle, blasenfreie und lückenlose Füllung zu erreichen.

Beispielsweise können bessere Eigenschaften in Bezug auf die Reduktion der Permeabilität von Wasserdampf erreicht werden, wenn die Quervernetzung der Silikone wesentlich erhöht wird. Je höher die anorganische Vernetzung ist, desto härter und spröder wird das Material. Im Extremfall ist das Material nur noch als Dünnschichtlackierung anwendbar. UV-, thermisch oder im Dual-cure-Verfahren polymerisierbare Silikone mit einem sehr hohen anorganischen Vernetzungsgrad gehören zur Materialklasse der ORMOCER®e, die je nach chemischer Zusammensetzung Wasserdampfpermeationsraten von unter 1 g/m² d pro 100 µm Schichtdicke erreichen können. Die besondere Kompetenz am CeSMA besteht darin, nicht nur Silikone anwendungsgerecht einzustellen, sondern auch die gesamte Bandbreite an Materialeigenschaften zwischen Silikonen und ORMOCER®en (Hybridpolymer) zu optimieren. Dank der Nutzung von marktverfügbaren Silikonkomponenten lassen sich die Entwicklungen schnell auch in größeren Mengen umsetzen.

Technische Eigenschaften von Spezial-Silikonformulierungen aus dem Fraunhofer ISC

Fallstudie 1 – Zustandssensorik für Batterien 

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts Spartacus (koordiniert durch das Fraunhofer ISC) wurden multifunktionale Sensorarrays für die Zustandsüberwachung von Batterien entwickelt. Ziel des Projekts war die Identifikation der optimalen Sensorkombination, um ein möglichst präzises Bild des momentanen Batteriezustands zu gewinnen und so z. B. Ladezeiten zu optimieren. Die Sensorkomponenten und das gesamte System mussten verkapselt werden, sodass sie weitgehend unabhängig von äußeren Störeinflüssen blieben, dabei aber eine optimale und flexible Anbindung an die Batteriezellen gewährleistet war, um etwa Volumenänderungen beim Lade- bzw. Entladevorgang präzise zu detektieren. Genutzt wurde für die Verkapselung der Sensorarrays ein dafür maßgeschneidertes transparentes Silikon des Fraunhofer ISC, das seine Schutzfunktionen optimal erfüllte (Bild 1).

Fallstudie 2 – Thermische Leitfähigkeit

Die thermische Leitfähigkeit ist entscheidend für das Wärmemanagement, z. B. in der Leistungselektronik und im Automotive-Bereich. Thermisch leitfähige Silikone bieten aufgrund ihrer hohen Wärmetoleranz eine vielversprechende Basis zur Verbesserung der Wärmeableitung elektronischer Bauteile.

Tabelle 2: Thermische Leitfähigkeit und Viskosität kommerziell erhältlicher Vergussmassen, Quelle: Internetrecherche

Das Fraunhofer ISC hat in früheren Studien (siehe Literaturhinweise) die Verwendung von ORMOCER®en mit Bor-Nitrid(BN)-Additiven zur Optimierung der thermischen Materialeigenschaften untersucht. Hierbei zeigte sich, dass die Oberflächenfunktionalisierung der Additive entscheidend für die Anbindung an die Matrix ist, um Delamination und damit den Verlust von Wärmeleitfähigkeit zu vermeiden. In neuen Forschungsansätzen wurden BN-Partikel mit Vinyltrimethoxysilan funktionalisiert und in einem Ormocer-Harz integriert. Die Ergebnisse zeigen, dass die chemische Bindung zwischen der Partikeloberfläche und der Matrix die Leistungsfähigkeit erheblich beeinflusst. So konnten thermische Leitfähigkeiten von 0,4 bis 1,5 W/mK erreicht werden. Obwohl diese Ergebnisse nicht direkt auf Silikone übertragbar sind, bieten die chemisch-strukturellen Ähnlichkeiten eine vielversprechende Grundlage für individuelle Lösungen.

Herausforderungen der Silikonanalytik

Zu Materialentwicklung und Qualitätssicherung in der Produktion gehört immer auch eine leistungsfähige begleitende Analytik. Silikone sind auch hier eine Klasse für sich. Ist ihre Materialchemie einerseits für die großen Variationsmöglichkeiten der Eigenschaften verantwortlich, stellt sie andererseits auch die Analytik und Charakterisierung vor besondere Herausforderungen und erfordert bei Bedarf eine große Vielfalt an Methoden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Analytiklaboren, die sich auf Routineanalysen konzentrieren, bietet CeSMA aufgrund seiner Materialkompetenz Analysedienstleistungen an, die auf die spezifischen Anforderungen und Herausforderungen von Anwendern in der Silikonverarbeitung und Formulierungsentwicklung zugeschnitten sind. 

Kundenspezifische Silikon-Analysen und Problemlösungen

Häufig werden unerwünschte Abweichungen in den Materialeigenschaften für frühzeitiges Bauteilversagen verantwortlich gemacht. Auch können Schwierigkeiten bei der Verarbeitung der kommerziellen Standardmaterialien auftreten, obwohl sich die Materialeigenschaften der Ausgangsstoffe innerhalb der Spezifikationen der Hersteller befinden. Ebenso können im Verarbeitungsprozess eingebrachte Verunreinigungen Vernetzungsprobleme verursachen und damit zu veränderten Bauteileigenschaften führen. 

Rheologische Untersuchungen ermöglichen hier eine detaillierte Charakterisierung von Flüssigsilikonen. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, um die Verarbeitungseigenschaften von Vergussmassen zu verstehen und zu verbessern. Die Charakterisierung vernetzter Silikonproben liefert wertvolle Informationen z. B. über Elastizitätsmodul und elektrische Durchschlagfestigkeit, die für die Entwicklung robuster und langlebiger Elektronikkomponenten unerlässlich sind.

Ansonsten bietet CeSMA umfassende chemische Analytik an, die es ermöglicht, sowohl vernetzte als auch unvernetzte Silikone auf ihre Reinheit und Funktionalität zu überprüfen. Die Analyse metallischer Verunreinigungen, flüchtiger und nichtflüchtiger organischer Bestandteile sowie die Identifizierung funktioneller Gruppen sind entscheidend, um die Qualität der Silikonprodukte sicherzustellen. Diese chemischen Untersuchungen sind besonders relevant, um die Funktionalität und Integrität von Vergussmassen unter harschen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten.

Die Möglichkeit, das thermische Verhalten der Materialien zu bestimmen und die Molekülgrößenverteilung zu analysieren, ergänzt das Angebot. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Verwendung als Silikon-Vergussmassen, insbesondere hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, mechanischer Stabilität und Verarbeitung.

CeSMA unterstützt bei der Fehleranalyse und der Problemdefinition, entwickelt geeignete Analysestrategien und bietet die für die Silikonanalytik relevanten Standardverfahren und Prüfmethoden aus einer Hand. Wo diese an ihre Grenzen stoßen, können Methodiken angepasst oder passend zur Problemstellung weiterentwickelt werden. Auch bei der Interpretation der Ergebnisse und der Ableitung von Maßnahmen in der Arbeitspraxis hilft das Material-Know-how der Würzburger Expertinnen und Experten weiter.

Ausblick auf die Trends in der Forschung

Die unter dem Aspekt der Anwendung wünschenswerte hohe chemische und thermische Stabilität und die hervorragenden Haftungseigenschaften der Silikone sind unter dem Aspekt einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ein Hindernis. Ein wichtiger Forschungsansatz am Fraunhofer ISC adressiert deshalb das recyclinggerechte chemische Materialdesign. Die Silikone sollen so modifiziert werden, dass sie am Ende der Nutzungsdauer durch einen speziellen Triggermechanismus wieder abgelöst werden können – bei gleicher Produktsicherheit und Stabilität. Diese getriggerte Ablösbarkeit würde ein effizienteres Recycling und eine sortenreine Trennung der elektronischen Komponenten ermöglichen. Dies ist ein wesentlicher Schritt hin zu einer nachhaltigeren, „grüneren“ Elektronik. 

Fazit 

Silikone bieten aufgrund ihrer variationsreichen Chemie und der umfangreichen Möglichkeiten, funktionelle Additive zu integrieren, eine attraktive Materialplattform für unterschiedlichste Materialanforderungen im Bereich der Vergussmassen. Um diese Möglichkeiten praxisnah und produktionstauglich zu erschließen, sind oft – neben den kommerziell erhältlichen Standardsilikonen – spezielle Formulierungen sinnvoll. Die Expertise in der Silikonentwicklung und -analytik ist entscheidend, um maßgeschneiderte Lösungen zu schaffen, die die Robustheit und Langlebigkeit elektronischer Geräte in verschiedenen Anwendungen gewährleisten. Das Center Smart Materials and Adaptive Systems des Fraunhofer ISC in Würzburg verfügt über umfassende Material- und Analysekompetenz, die es Unternehmen ermöglicht, eigene innovative und zuverlässige Silikonprodukte zu entwickeln, die den hohen Anforderungen der Elektronikindustrie gerecht werden. Aktuelle Forschungsansätze am Fraunhofer ISC verfolgen außerdem das Ziel, durch chemisches Materialdesign und den Einbau von Triggern die Recycelbarkeit von vergossener Elektronik zu verbessern und den ökologischen Fußabdruck der elektronischen Bauteile zu minimieren. (sb)

Literatur

[1] Lang, K., Löbmann, P. BN—hybrid polymer composites: influence of particle surface functionalization. J Sol-Gel Sci Technol 86, 135–140 (2018). https://doi.org/10.1007/s10971-018-4602-5

[2] Fink, M., Collin, D. & Löbmann, P. Hybrid polymer incorporating BN particles: Thermal, mechanical, and electrical properties. J Sol-Gel Sci Technol 83, 489–494 (2017). https://doi.org/10.1007/s10971-017-4421-0

* Johannes Ziegler, Gerhard Domann, Dr. Daniela Collin und Marie-Luise Righi arbeiten am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC.

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