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Unter Vakuum vergossen: Kompakt und belastbar

Mit dem Einzug der Elektronik in nahezu alle medizinischen und industriellen Anwendungen werden immer neue Herausforde­rungen an die Hersteller von Netzgeräten herangetragen. Die Auto­matisierung alltäglicher Abläufe stellt die Hersteller von Netzgeräten und Stromversorgungen vor neue Aufgaben. ­

Egston Bildquelle: © Egston

Unter Vakuum vergossenes Netzteil

Egston war 1995 Vorreiter im Bereich der Miniaturisierung von getakteten Stecker-Netzgeräten. Seit damals wurde das Produktportfolio auf weitere Märkte ausgedehnt. Vergossene Netzgeräte sind eine wichtige Produktgruppe, die man in Einsatzgebieten findet, in denen man sie vor einigen Jahren nicht vermutet hätte. Ihre Vorteile spielen vergossene Netzgeräte bei hoher mechanischer Belastung, staub- und schmutzbelasteter Umwelt oder bei extremen Temperaturen aus. Ein weiterer Vorteil von in Vakuum vergossenen Netzgeräten ist, wegen der höheren Isolationsfähigkeit von dem Vergussmittel als von Luft eine kompakte Bauweise. 
Diese Attribute sind in der Medizintechnik, bei Lichtleitsystemen im modernen Straßenbau oder in der Bahntechnik gefragt. Aber auch im Smart Home sind vom Heizkessel bis zur Klimasteuerung vergossene Netzgeräte ein wichtiger Bestandteil des allzeit verfügbaren und abruf­baren Steuerungs- und Überwachungssystems.

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Bild 1: Bei der Auswahl des Vergussmittels ist das materialspezifische und temperaturabhängige Elastizitätsmodul ein wichtiges Kriterium.

Wird ein herkömmlicher DC-DC Wandler heute meist mit einer Polyurethanmischung (PU) atmosphärisch vergossen, legt Egston seine Vergussmethode und das dazugehörige Vergussmittel anwendungsspezifisch fest. Neben PU stehen diverse Epoxidharzmischungen und Silikone zu Verfügung. Entsprechend der Anwendung werden Zusatzstoffe gegen UV-Einstrahlung oder zur Verbesserung der Brand- oder Rissbeständigkeit oder Wärmeleitfähigkeit beigemengt. Ein Auswahlkriterium für die Wahl des Vergussmittels ist das Elastizitätsmodul (Bild 1).

Das Unternehmen setzt bei vergossenen kundenspezifischen Netzgeräten größtenteils auf Vakuumverguss. Die Vergussmittel werden im Vakuum aufgerührt, vorgewärmt und homogenisiert. Die Einbringung der Vergussmasse erfolgt ebenfalls in einer Vakuumkammer (Bild 2). Für die Großserienfertigung werden dafür Anlagen von Scheugenpflug verwendet. Durch eine langjährige Zusammenarbeit der zwei Unternehmen konnten die Prozessparameter optimiert werden, sodass von Umwelteinflüssen unabhängig leichbleibende Qualität geliefert werden kann.

Bei der Auswahl des für die Anwendung perfekten Vergussmittels ist die sogenannte Glasübergangs­temperatur entscheidend. Bei der Glasübergangstemperatur geht ein festes Polymer in einen gummiartigen bis zähflüssigen Zustand über. Bei Polymeren beruht der Glasübergang von der Schmelze in den festen Zustand auf dem »Einfrieren« von Kettensegmenten.

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Bild 2: Voher-Nachher-Darstellung der Einbringung des Vergussmittels unter Vakuum.

Bei amorphen Kunststoffen trennt der Glasübergang den unterhalb liegenden, spröden energieelastischen Bereich (Glasbereich) vom oberhalb liegenden, weichen entropieelastischen Bereich. Der Übergang in den Fließbereich ist nicht abrupt, sondern kontinuierlich. Egston stellt vergossene Netzgeräte und Stromversorgungen im Bereich von 3 bis 300 W her. Je nach Anwendungsfall kommt Teil- oder Vollverguss zum Einsatz. Um für die spezifische Anwendung die gewünschte Dauerhaltbarkeit zu erzielen, ist es entscheidend, dass das Netzgerät bei der entsprechenden Temperatur ausgehärtet wird.

Bei dem für thermische Belastungen ausgelegten vollvergossenen Netzgerät, das im Außeneinsatz von –40 °C bis +50 °C arbeitet, muss das Vergussmittel in jeden noch so kleinen Spalt blasenfrei eindringen. So vergossen, können beim Egston-Unterputz-Netzgerät mit 30 W »N1h« mit Medzintechnik-Zulassung (2xMOPP) und IP68-Schutz die Hotspot-Temperatur um über 20 °C gegenüber einem unvergossenen Netzgrät gleicher Leistung reduziert werden (Bild 3).

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Bild 3: Temperaturverteilung in Netzteil mit Verguss, sowie Vergleich der Hotspot-Temperaturen mit und ohne Verguss.

Es ist bei allen Anwendungsfällen wichtig, besonders auf die Auslegung der bestückten Leiterplatte zu achten. Alle Vergussmittel üben auf Grund ihrer unterschiedlichen Ausdehnung bei zunehmender Temperatur, einen enormen Druck auf die elektronischen Bauteile aus (Bild 4). Die Herausforderung bestehet darin, die mechanischen Spannungen im Betrieb zu minimieren und so die Belastung auf die Bauteile zu reduzieren.

Beachtet man die Grundregeln bei der Auslegung vergossener Netzgeräte nicht, führt dies bei hoher Anzahl an Temperaturwechselzyklen sicherlich zu einem frühen Ausfall und großflächige Bauteile können aus den Lötpads gerissen werden. Ein wesentlicher Aspekt bei der Herstellung von vergossenen Netzgeräten ist außerdem, auf bestmögliche Sauberkeit zu achten. Unkontrollierte NaCl-Verunreinigungen können zu ungewünschten Ionenflüssen führen, die wiederum den Mikroprozessor angreifen und zerstören können.(ne)

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Bild 4: Bei der Auswahl des Vergussmittels wird der materialspezifische und temperaturabhängige Ausdehnungskoeffizient berücksichtigt.