Leiterplattenverguss: Vergussmassen, Verfahren und Designregeln

Beim Vergießen von Leiterplatten (PCB-Verguss) wird eine bestückte Platine (oder ein Stecker bzw. Modul) in einen massiven Harzblock eingeschlossen und so vollständig gegen Feuchtigkeit, Vibrationen, Chemikalien und Manipulation abgedichtet. Es ist die robusteste Form des Elektronikschutzes – deutlich widerstandsfähiger als eine dünne Beschichtung –, erhöht jedoch Gewicht und Kosten und macht die Platine unreparierbar. Daher kommt es nur dort zum Einsatz, wo die Umgebungsbedingungen dies erfordern. Dieser Leitfaden erklärt, was Vergießen ist, wie es sich von einer Schutzlackierung unterscheidet, welche Harze üblicherweise verwendet werden und welche Vor- und Nachteile sie haben, und wie Highleap Electronics das Vergießen als Teil der Montage anbietet.

1. Was ist Leiterplattenverguss und wovor schützt er?

Das Vergießen von Leiterplatten ist ein Verfahren, bei dem ein Gehäuse oder eine Form um eine bestückte Platine mit einem flüssigen Harz gefüllt wird, das zu einer festen Masse aushärtet und die Elektronik vollständig umschließt. Es schützt vor Feuchtigkeit und Wassereintritt, mechanischen Stößen und Vibrationen, Staub, aggressiven Chemikalien, Temperaturschwankungen sowie vor Manipulationen oder Reverse Engineering – eine deutlich umfassendere Abdichtung als eine Oberflächenbeschichtung, da die Bauteile in festes Material eingebettet und nicht nur bedeckt werden.

Diese vollständige Verkapselung ist der Grund, warum das Vergießen für anspruchsvollste Anwendungen gewählt wird: Automobil- und Industriemodule, Elektronik für den Außenbereich und die Schifffahrt, Netzteile und alle Bauteile, die ständigen Vibrationen oder dem Eintauchen in Wasser ausgesetzt sind. Dasselbe Ziel – das Aussperren von Umwelteinflüssen – treibt auch ein vollständig wasserdichtes Leiterplattendesign voran , wobei das Vergießen oft der entscheidende Schritt ist. Die Nachteile sind das höhere Gewicht, die zusätzlichen Kosten, gewisse thermische Aspekte und die Tatsache, dass eine vergossene Leiterplatte in der Regel nicht repariert werden kann. Daher wird das Vergießen nur für Produkte eingesetzt, die es wirklich benötigen.

2. Leiterplattenverguss vs. Schutzlackierung: Was benötigen Sie?

Wählen Sie eine Schutzlackierung für allgemeinen Schutz vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen bei geringem Gewicht und niedrigen Kosten. Vergießen Sie die Platine, wenn sie Wasser ausgesetzt ist, starken Vibrationen oder aggressiven Chemikalien ausgesetzt ist und maximale Robustheit erfordert. Beide Verfahren bieten Schutz vor sich überschneidenden Gefahren, unterscheiden sich jedoch erheblich im Schutzgrad.

Für die meisten Elektronikgeräte im Innenbereich und für Unterhaltungselektronik ist eine Schutzlackierung die richtige und wirtschaftlichste Schutzmaßnahme. Vergießen lohnt sich nur dann, wenn die Anwendung extremen Bedingungen ausgesetzt ist – beispielsweise Untertauchen, ständige Stöße, Kontakt mit Chemikalien oder wenn die Schaltung verdeckt werden muss. Eine hilfreiche Faustregel: Wenn eine dünne Schicht die Umgebungsbedingungen überstehen würde, sollte sie beschichtet werden; wenn die Platine zum Schutz in einem festen Material versiegelt werden muss, sollte sie vergossen werden.

3. Vergussmassen: Epoxidharz, Polyurethan und Silikon

Die drei wichtigsten Vergussmassen sind Epoxidharz (am härtesten und chemikalien- sowie manipulationsbeständigsten), Polyurethan (zäh, aber flexibler, gut gegen Vibrationen) und Silikon (weich, flexibel und optimal für einen breiten Temperaturbereich und thermische Belastung). Die Wahl des Harzes erfordert ein ausgewogenes Verhältnis von Härte, Flexibilität, Temperaturbereich und thermischem Verhalten.

• Epoxy Es härtet hart aus und verbindet sich stark, wodurch die beste chemische Beständigkeit und die stärkste Barriere gegen Manipulationen entsteht – aber seine Steifigkeit überträgt thermische Spannungen, daher eignet es sich nur für Anwendungen mit stabiler Temperatur.
• Polyurethan Es ist robust, aber elastischer als Epoxidharz und absorbiert Vibrationen und mechanische Stöße gut, was es zu einer gängigen Wahl für bewegliche oder robuste Geräte macht.
• Silikon Es bleibt über einen sehr breiten Temperaturbereich weich und flexibel, wodurch die thermische Ausdehnungsspannung an den Bauteilen reduziert wird, und eignet sich daher besonders für Hochtemperatur- oder thermisch beanspruchte Baugruppen.

Da das Harz direkt auf die Baugruppe aufgetragen wird, ist es eng mit den üblicherweise für die Vergussmasse verwendeten Epoxidharzen für Leiterplatten verwandt . Die Wahl des richtigen Harzes hängt von der Betriebstemperatur, der mechanischen Umgebung und davon ab, ob die Wärmeableitung durch die Vergussmasse für Ihre Leiterplatte von Bedeutung ist.

4. Wie man ein Pflanzbrett entwirft

Konstruieren Sie eine Platine für das Vergießen unter Berücksichtigung des Gewichts und der Wärmeausdehnung des Harzes, vermeiden Sie Lufteinschlüsse, schützen Sie Anschlüsse und verstellbare Teile, die zugänglich bleiben müssen, und leiten Sie die Wärme von im Harz eingebetteten Leistungskomponenten ab. Das Vergießen verändert das mechanische und thermische Verhalten der Baugruppe und sollte daher von Anfang an in die Konstruktion eingeplant und nicht nachträglich hinzugefügt werden. Wichtige Aspekte:

• Thermische Ausdehnungsspannungen. Durch die Ausdehnung und Zusammenziehung eines starren Harzes können Lötstellen und Bauteile beansprucht werden, daher müssen die Bauteilplatzierung und die Harzwahl dem Temperaturbereich angepasst sein.
• Lufteinschluss. Hohe Teile und enge Spalten können beim Gießen Lufteinschlüsse verursachen; durch Layout und Entgasung (oft Vakuumgießen) lassen sich Hohlräume vermeiden, die die Abdichtung schwächen.
• Sperrzonen. Anschlüsse, Testpunkte und verstellbare Bauteile, die weiterhin verwendbar bleiben müssen, müssen abgedeckt oder außerhalb des Vergussbereichs platziert werden.
• Wärmeableitung. Da die Leistungskomponenten in Harz eingebettet sind, geht eine Kühlung durch Luftstrom verloren, müssen die Wärmeleitfähigkeit des Harzes und das thermische Design der Platine dies kompensieren.

Genau solche Probleme werden bei einer Fertigungsprüfung frühzeitig aufgedeckt, genauso wie eine Vorfertigungsprüfung Montagerisiken erkennt, bevor sie in die Produktion gelangen – was im Designprozess viel günstiger ist als nach dem Versiegeln einer Platine mit Harz.

5. Der Vergussvorgang der Leiterplatte Schritt für Schritt

Der Vergussvorgang umfasst fünf Schritte: Vorbereitung und Abkleben der Platine, Anmischen des Zweikomponentenharzes im richtigen Verhältnis, Einfüllen in das Gehäuse oder die Form, Entfernen eingeschlossener Luft durch Vakuumentgasung und anschließendes Aushärten. Jeder Schritt birgt ein Fehlerrisiko, das darüber entscheidet, ob die fertige Verkapselung die Platine tatsächlich schützt. Daher ist Vergießen ein kontrollierter Prozess und nicht einfach nur das Eingießen von Harz.

• Bereiten Sie sich vor und tragen Sie eine Maske. Die Platine wird gereinigt, damit das Harz gut haftet, und alle Anschlüsse, Testpunkte oder verstellbaren Teile, die zugänglich bleiben müssen, werden vor dem Vergießen abgeklebt.
• Im richtigen Verhältnis mischen. Die meisten Vergussmassen sind Zweikomponentensysteme, die in einem exakten Verhältnis gemischt und gründlich vermengt werden müssen; eine nicht im richtigen Verhältnis stehende oder schlecht gemischte Charge härtet möglicherweise nie vollständig aus oder weist Schwachstellen auf.
• Ausgeben. Das Harz wird in das Gehäuse oder die Form um die Platine herum gegossen oder gepumpt, wobei das Volumen ausgefüllt wird, ohne die Bauteile zu beeinträchtigen.
• Vakuum-Entgasung. Die Baugruppe wird einem Vakuum ausgesetzt, um eingeschlossene Luft aus dem flüssigen Harz und unter den Teilen mit geringem Abstand zu entfernen, da Lufteinschlüsse die Abdichtung schwächen und Wege für das Eindringen von Wärme und Feuchtigkeit schaffen.
• Heilung. Das Harz härtet – je nach Zusammensetzung bei Raumtemperatur oder durch Wärmezufuhr – und bildet den endgültigen, festen Block. Die Aushärtungsdauer beeinflusst die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Harzes.

Die Vakuum-Entgasung ist der am häufigsten unterschätzte Schritt: Ohne sie entstehen beim Gießen eingeschlossene Luftblasen, die Hohlräume hinterlassen und die Schutzwirkung der Vergussmasse beeinträchtigen. Das für diese Schritte gewählte Harz ähnelt den in der Verkapselung verwendeten Epoxidharzsystemen , und bei Produkten, die vollständig untergetaucht werden sollen, ist dieser Prozess ein zentraler Bestandteil der Herstellung einer wasserdichten Leiterplatte.

6. Wie Highleap Ihre Baugruppen schützt und umhüllt

Highleap bietet Verguss und Kapselung als Teil der Montage an und wählt Harz und Verfahren passend zu Ihren Umgebungsbedingungen aus. Dabei werden die Bereiche geschützt, die zugänglich bleiben müssen. Bei der Leiterplattenverkapselung werden die Platinen mit dem geeigneten Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonmaterial versiegelt. Dabei wird besonders auf Hohlräume, thermische Spannungen und die Aussparungen für Steckverbinder geachtet.

Da das Vergießen den letzten Schutzschritt auf einer bestückten Leiterplatte darstellt, bietet Highleap diesen im Rahmen einer Komplettmontage an . Die Leiterplatte wird also in einem koordinierten Prozess gefertigt, bestückt, getestet und anschließend vergossen. Produkte mit geringerer Beanspruchung können alternativ mit einer Schutzlackierung versehen werden, sofern dies erforderlich ist. Beschreiben Sie bei Ihrer Angebotsanfrage bitte die Betriebsumgebung (Eintauchen, Vibrationen, Temperaturbereich, Chemikalienbelastung), welche Bereiche zugänglich bleiben müssen und welche Anforderungen an die Wärmeableitung bestehen, damit die passende Vergussmasse und das geeignete Verfahren ausgewählt werden können.

7. Häufig gestellte Fragen zum Vergießen von Leiterplatten

Was kostet das Vergießen von Leiterplatten?

Das Vergießen verursacht zusätzliche Kosten durch das Harzmaterial, den Arbeitsaufwand und die Ausrüstung zum Mischen, Dosieren und Entgasen unter Vakuum sowie die Aushärtezeit. Daher steigen die Stückkosten mit der Platinengröße und dem Harzvolumen. Am wirtschaftlichsten ist es, das Vergießen von Anfang an in die Montage einzuplanen und in Serien durchzuführen, anstatt es nachträglich als einmalige Maßnahme hinzuzufügen.

Ist Vergießen dasselbe wie Einkapseln?

Die Begriffe werden in der Elektronikbranche meist synonym verwendet – beide bezeichnen das Einbetten einer Platine in ausgehärtetes Harz. Genau genommen bedeutet „Vergießen“, Harz in ein Gehäuse zu gießen, das am Produkt verbleibt, während „Verkapselung“ einen gegossenen Harzkörper bezeichnen kann. Verfahren und Materialien sind jedoch dieselben.

Kann die Vergussmasse zur Reparatur entfernt werden?

Starre Epoxidharz-Vergussmassen sind praktisch dauerhaft und können nicht entfernt werden, ohne die Platine zu zerstören; weichere Silikon- und einige Polyurethanverbindungen können manchmal für begrenzte Nacharbeiten abgetragen oder entfernt werden, aber Vergussmassen werden im Allgemeinen für Produkte gewählt, die nicht repariert werden sollen.

Führt das Vergießen zu einer Überhitzung der Bauteile?

Das kann vorkommen, da die Einbettung von Bauteilen in Harz die Luftkühlung unterbindet. Abhilfe schafft die Verwendung einer wärmeleitenden Vergussmasse oder die Schaffung von Wärmeleitpfaden zum Gehäuse, sodass die Leistungskomponenten die Wärme über das Harz abgeben, anstatt sie im Inneren zu stauen.

Welche IP-Schutzart kann eine vergossene Leiterplatte erreichen?

Eine fachgerecht vergossene Platine mit abgedichteten Kabeleinführungen kann hohe Schutzarten erreichen, einschließlich vollständiger Staubdichtigkeit und Wasserdichtigkeit. Daher ist das Vergießen von Elektronikbauteilen im Außenbereich, in der Schifffahrt und im Erdreich üblich. Die erreichte Schutzart hängt vom Gehäuse, der Abdichtung der Anschlüsse und einer porenfreien Vergussmasse ab.

Wie lange dauert es, bis die Pflanze nach dem Eintopfen vollständig ausgehärtet ist?

Die Aushärtungszeit hängt von der verwendeten Verbindung und dem Aushärtungsverfahren ab und reicht von wenigen Stunden bei wärmehärtenden Epoxidharzen bis zu einem Tag oder länger bei manchen Systemen, die bei Raumtemperatur aushärten. Der Aushärtungsprozess beeinflusst die endgültige Härte und das thermische Verhalten des Harzes und wird daher an die jeweilige Anwendung angepasst, anstatt ihn zu beschleunigen.