Protecting Electronics

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1 Seite 1 Technology Week Protecting Electronics Conformal Coatings and Encapsulation Application & Processes, August 15, Jens Bürger Page 1

2 ALTANA auf einen Blick Umsatz 2014: Mio. Mitarbeiter (a) : Umsatz: 857 Mio. Mitarbeiter (a) : Umsatz: 332 Mio. Mitarbeiter(a): Umsatz: 431 Mio. Mitarbeiter(a): 970 Umsatz: 332 Mio. Mitarbeiter(a): Business Lines Lackadditive Kunststoffadditive Industrielle Applikationen Fördertechnik Öl/Gas Mess- und Prüfinstrumente Business Lines Lackanwendungen und Kunststoffindustrie Grafische Industrie Kosmetik und Personal Care Funktionale Anwendungen Business Lines Primärisoliermaterialien Sekundärisoliermaterialien Elektronik und Technische Anwendungen Business Lines Materialien Verpackungsindustrie Materialien Grafische Industrie Page 2 (a) zum

3 ELANTAS Electrical Insulation Business Lines Primary Insulation (Drahtlacke) Secondary Insulation (Imprägnierharze) E&EM (Lacke und Verguss) Page 3

4 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page 4

5 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Der Ausdehnungskoeffizient oder Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein Kennwert, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt - deswegen oft auch thermischer Ausdehnungskoeffizient genannt. Der hierfür verantwortliche Effekt hat einen großen Einfluss auf die Temperaturwechselfestigkeit von Transformatoren und Modulen. Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der verwendeten Chemie (z.b. Silikone, Epoxy, PUR), der Glasübergangstemperatur und der Geometrie des Bauteils. Der Vortrag erörtert die wichtigsten Punkte, die vor dem Vergießen zu beachten sind um optimale Temperaturfestigkeit zu erzielen. Page 5

6 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page 6

7 Modul-Verguss Anforderungen an den Verguss Schutz vor Vibration T: 100 Zyklen -20 C bis +100 C; Haltezeit: 6h schnelle Aushärtung bei RT Verarbeitung 2K Dispensmaschine Page 7

8 Page 8 Verguss Wechselrichter nach 100 Zyklen -20 C bis +100 C; Haltezeit: 6h

9 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page 9

10 Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von mehreren Faktoren: dem Thermischen Ausdehnungkoeffizenten (CTE) der Glasübergangstemperatur (Tg) dem E-Modul Der Geometrie des Moduls Anzahl der Testzyklen und der Haltezeit Page 10

11 E-Modul vs. Ausdehnungskoeffizenten über die Temperatur Temperatur E-Modul CTE Page 11 Glas-Übergangstemperatur

12 Ideen und Marktanforderungen Der Kunde möchte oft ein elastisches Material, das bedeutet ein niedriges E-Modul. Weiter möchte er auch einen geringen Temperaturausdehnungs-koeffizienten (CTE). Elastisch bedeutet aber auch prinzipiell eine geringe Shore Härte. Geringer Temperaturausdehnungskoeffizient bedeutet aber auch prinzipiell eine hohe Shore Härte. elastisch; geringer CTE; Shore Härte Shore Härte Page 12

13 Ideen und Marktanforderungen Darüber hinaus existieren Marktanforderungen, die Glasübergangstemperatur außerhalb der Betriebstemperatur zu legen, hier also entweder Tg < -20 oder Tg > +100 C. Das schränkt die Materialauswahl ein und erhöht unnötig den Preis. Der Nachweis, das dies generell Probleme umgehen kann, ist nicht gegeben! Page 13

14 Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von der Geometrie des Moduls Die geringe Elastizität von z.b. Metallgehäusen gegenüber Kunststoffgehäusen kann einen Bruch der Vergussmasse oder des Moduls eher provozieren. Auch Änderungen der Bauform von z.b. TSSOP (thin shrink small outline package) auf QFN (Quad Flat No-Lead). Das QFN-Package ist um ca. 60 % kleiner ist als von TSSOP. QFN-Packages sind SMD-Bauteile, die keine Anschluss-drähte haben, sondern Anschlusskontakte auf der Package-Unterseite mit denen sie unmittelbar auf der LP montiert werden. Deshalb ist keine Elastizität im Vergleich zum z.b. TSSOP mehr vorhanden. Page 14 A/D-Wandler QFN-Package TSSOP-Package

15 Die Temperaturwechselfestigkeit ist abhängig von Anzahl der Testzyklen und der Haltezeit Um belastungsfähige Ergebnisse zu erreichen sind moderne Klimaprüfschränke zur Simulation der Klimabedingungen, exakte Klimatestzyklen und sichere Überwachung des Testablaufes notwendig. Die Möglichkeiten für die Erstellung von Programmzyklen, Speicherung und Anzeige, wie auch Auswertung des Testablaufs sind hier Voraussetzungen. Der Temperaturbereich sollte 40 C bis +140 C abdecken und Änderungsgeschwindigkeiten zwischen 2 bis 5 K/min zulassen. Es muss deutlich differenziert werden zwischen: Temperaturwechseltest (Wechselzeit 2 bis 5 K/min) Temperaturschock (Wechselzeit < 30 Sekunden!) Page 15

16 Temperature[ C] Beispiel eines Temperature Shocks -30 C / +60 C 80,00 Filter module Camber temperature 60,00 40,00 20, <Skab> (C) 0, ,00 Page 16-40,00 Time [minutes] Ein T von 90 C

17 Temperature[ C] Beispiel eines Temperature Shocks -30 C / +60 C Tatsächlich nur ein T von 45 C bzw. 25 C 45,00 Filter module K-thread cycler 40,00 35, <Driver 1> (C) 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5, <Driver 2> (C) 0, Page 17-5,00 Time [minutes]

18 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page Seite 18 Application ELANTAS Technical presentation Days Edition Oktober

19 Page 19 Beispiel mit dem Elan-tron MC622 Datenblatt

20 Page 20 Beispiel mit dem Elan-tron MC622 Datenblatt

21 Zyklen -20 C bis +100 C E-Modul: MPa CTE: E-Modul CTE CTE: E-Modul: ~500 MPa -40 C -20 C + 80 C C Page 21 Glas-Übergangstemperatur: 57 C 63 C

22 Vergussanlagen sollten eine Dosiergenauigkeit von 5% aufweisen Prinzip Vorratsbehälter A B Pumpen Mischer Page 22

23 Verarbeitungsfehler Ursachen und Quellen für fehlerhaftes Vergussbild Beim Bestücken, Löten oder Waschen Im Verguss Im Handling Während des Vergiessens Bei der Trocknung u.a. Page 23

24 Verarbeitungsfehler Ursachen im Harz und während des Handling z.b. Temperaturen (jede +10 C ½ Lagerzeit), Zuviel Luftfeuchte, Abhilfe: Lagerbedingungen bekannt? Page 24

25 Verarbeitungsfehler Ursachen während des Vergiessens z.b. Schwankende Temperaturen, Maschinenparameter, Kapillarkräfte Abhilfe: Vorwärmung z.b. 40 C Page 25

26 Vergussmassen Polymere Epoxidharze Polyole Silikone Füllstoffe Verstärkende Eigenschaften Verbesserung der Wärmeableitung Flammhemmende Wirkung (abhängig vom Füllstoff) Page 26 Additive Viskositätsreduzierung Entgasung Benetzung Verlaufseigenschaften Feuchteschutz Einstellung der Reaktivität u.a.m.

27 Verarbeitungsfehler Sedimentation nach 50 C Page 27

28 Page 28 Gute Qualität des Elektronikschutzes wird Zufriedenheit erzeugen

29 Einfluss des thermischen Ausdehnungskoefizienten auf die Temperaturwechselfestigkeit Einleitung erste praktische Erkenntnisse Theoretische Betrachtungen Beispiel anhand des TDS Die Möglichkeiten Page Seite 29 Application ELANTAS Technical presentation Days Edition Oktober

30 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses 2 x Asymtec KC Stream Coater Page 30

31 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Page 31

32 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Salzspühnebel Page 32 Klima- und Temperaturschockkammer

33 Bectron Coating and Potting Möglichkeiten Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Page 33 UV - Trockner

34 Komponentenschutz im Bereich E&EM Standardtests Labor Applikation Klimate Testbedingungen Dauer Norm Lotpasten Langzeitlabor Feuchte Wärme, konstant T = 85 C // F rel. = 85%; IPC-SM-840C; Class T 85 C ± 2 C bei F rel = 85% ± 2% Dauer > 168h > 168h Ziel 1000h IPC-TM (Flux) diverses Feuchte Wärme, Zyklus T = C // F rel. = 95% IPC-CC-830B Klimaschranktemperatur + 25 C bis + 55 C bei ± 2 C rel. Feuchte von 93% +2-3% Verweildauer 9h bei 55 C; Anzahl der Zyklen (24h) = 9; Überführungsdauer 3h > 216h Ziel 1000h IEC GS VW Page 34 Temperatur-Schock IPC-CC-830B - 40 C bis C bei ± 2 C; Verweildauer 30/45 min; Anzahl der Zyklen = 100, 500; (3000); Überführungsdauer < 10 s > 127h Ziel 1000h IEC GS VW IPC-TM

35 Komponentenschutz im Bereich E&EM Standardtests Labor Applikation Klimate Testbedingungen Dauer Norm Lotpasten Langzeitlabor Feuchte Wärme, konstant T= 40 C // F rel. = 93% Klimaschranktemperatur 40 ± 2 C relativen Feuchte von 93% +2-3% > 504h Ziel 1000h IEC GS VW diverses Temperatur-Wechsel -40 C bis +120 C bei ± 2 C Anzahl der Zyklen = 35 kurzzeitig bis 135 C > 280h Ziel 1000h IEC GS VW Page 35 Temperatur konstant T1=variabel T2= -40 C T3= +125 C für Kälte = 96h für trockene Wärme = 1000h IEC (2) GS VW

36 Komponentenschutz im Bereich E&EM Standardtests Labor Applikation Lotpasten Langzeitlabor diverses Page 36 1 x AMI (Espec) und 2 x Sefelec Zur Durchführung von SIR - Tests (Oberflächenisolationwiderstandstestgerät)

37 Page 37 Bectron Coating and Potting Automotivanwendungen der Electronic & Engineering Materials

38 Vielen Dank für Ihre Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Aufmerksamkeit. ELANTAS Beck GmbH Knowledge connects. Page 38