Schutzlacke richtig anwenden


Titelthema a:lot 29 - Winter 2018

Die Anforderungen an Qualität und Haltbarkeit von elektronischen Baugruppen steigt stetig. Ein wichtiger Prozessschritt, um dieses Ziel zu erreichen, ist in vielen Bereichen das Auftragen eines Schutzlacks. Das hört sich einfach an, ist aber eine technische Herausforderung, bei der viele verschiedene Parameter zu berücksichtigen sind. Wir geben Ihnen deshalb einen Überblick darüber, was zu beachten ist und wie Sie Ihre Produkte optimal schützen können.

Elektronische Baugruppen sollen über einen definierten, meist möglichst langen Zeitraum eine bestimmte Funktion erfüllen. Damit dieses Ziel erreicht wird, werden eine Reihe von Parametern sowohl bei den Komponenten als auch im Produktionsprozess optimiert. In vielen Fällen bedürfen die Baugruppen danach keiner besonderen Behandlung mehr, um sicher und zuverlässig eingesetzt werden zu können. Werden jedoch besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt oder ist die Elektronik besonderen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, kann das Aufbringen eines Schutzlacks sinnvoll und notwendig sein. Dieser Prozess wird im Englischen conformal coating genannt und kommt vor allem in den Bereichen Automotive, Luft- und Raumfahrt, Militär sowie in Beleuchtungs- und Industrieanwendungen zum Einsatz.
In diesen sensiblen Branchen ist es wichtig, eine hohe Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppen zu gewährleisten. Dabei spielt der Schutzlack eine bedeutende Rolle. Fällt zum Beispiel ein Airbag oder ein medizinisches Gerät aus, kann das lebensgefährliche Folgen haben. Aber auch für die Unternehmen selbst kann es sehr unangenehm werden, wenn elektronische Baugruppen nicht wie gewünscht und geplant funktionieren. In der Automobilindustrie gibt es eine Reihe von Beispielen, wo aufgrund fehlerhafter Elektronik massenhaft Autos zurückgerufen werden mussten. Abgesehen vom Imageverlust ist das ein kostspieliges Unterfangen.

Einfaches Ziel, komplexer Weg

Schutzlacke werden partiell (selektiv) oder vollflächig als dünner Film in einer Stärke von etwa 25 bis 75 μm aufgetragen und legen sich bündig über die zu schützenden Partien beziehungsweise Komponenten. Durch das Aufbringen eines Schutzlacks wird die elektronische Baugruppe (oder Teile davon) vor Feuchtigkeit, Staub, Salzsprühnebel, Vibration, extremen Temperaturen, Handschweiß und anderen Umweltbedingungen geschützt. Dadurch werden insbesondere die metallischen Komponenten vor Korrosion bewahrt, aber auch andere Alterungsprozesse wie zum Beispiel die Schimmelbildung werden verhindert beziehungsweise verzögert.
Wie so häufig in der Elektronikfertigung liegt auch beim conformal coating die Tücke im Detail. Unterschiedliche Anforderungen sowie Materialien und Verfahren machen das Thema hochkomplex, wie schon ein einfaches Beispiel zeigt: Ist die Schutzschicht zu dünn, bringt sie nicht den gewünschten Erfolg. Ist sie hingegen zu dick, kann der Lack reißen, was ebenfalls zu Qualitätseinbußen führt. Da das conformal coating aber immer häufiger zum Einsatz kommt, ist der Informations- und Aufklärungsbedarf hoch. Umso erstaunlicher ist es, dass es bisher im deutschsprachigen Raum keine Richtlinien für das Auftragen und die Eigenschaften von Schutzbeschichtungen gibt. Eine gute Orientierung bietet aber der ‚Leitfaden für die Anwendung und Verarbeitung von Schutzlacken für elektronische Baugruppen‘ der GfKorr (s. Kasten).

Leitfaden der GFKorr

Die Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V. (GfKORR) ist ein interdisziplinärer Zusammenschluss von Fachleuten aus Industrie, Forschung und Handwerk, deren Zielsetzung in der Vermeidung von Korrosion und ihren Folgeschäden liegt. Die GFKorr arbeitet derzeit in zwanzig Arbeitskreisen in den verschiedensten Gebieten, unter anderem auch der Elektronik und Mikrosystemtechnik. Dieser Arbeitskreis hat im Mai 2018 die vierte Auflage des Leitfadens für die Anwendung und Verarbeitung von Schutzlacken für elektronische Baugruppen‘ herausgegeben. Darin wird das Thema auf etwa 220 Seiten umfassend bearbeitet, auch unter Berücksichtigung und Nennung der neuesten Normen. Der Leitfaden kann bei der GfKorr für 98,- Euro bestellt werden.
GfKORR – Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V., Hauptgeschäftsstelle, Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main, Tel.: 069.7564-360/-436, E-Mail: gfkorr@dechema.de, Internet: www.gfkorr.de

Beschichtung schon bei der Entwicklung berücksichtigen

Die Aufbringung einer Schutzbeschichtung gehört zwar in der Regel zu den letzten Prozessschritten, dennoch sollte sie bereits bei der Entwicklung berücksichtigt werden. Beispielsweise muss das conformal coating kompatibel zu anderen Prozessen und ihren Rückständen wie Flussmitteln und anderem sein. Überdies sollte der Beschichtungsprozess optimal in den Fertigungsablauf eingebunden werden, um das gewünschte Ergebnis bei minimalen Kosten zu erzielen. Sofern noch keine oder nur wenige Erfahrungen mit dem conformal coating vorliegen, sollte der Prozess am besten mit Hilfe eines Experten in die Fertigung implementiert werden. Im Bedarfsfall können aber auch externe Dienstleister mit der Beschichtung einzelner Chargen oder bei Spezialanwendungen beauftragt werden.
Damit ein Schutzlack aufgebracht werden und seine Aufgabe erfüllen kann, ist es elementar wichtig, dass der Untergrund optimal vorbereitet wird. Schutzlacke haften auf den meisten Oberflächen aus Metall, Kunststoff, Glas und Silikon, allerdings nur, wenn diese sauber und trocken sind. Vor allem Fett und Schmutz beeinträchtigen die Haftfähigkeit von Schutzlacken (und übrigens auch von Klebe- und Dichtmitteln) nachhaltig. Befinden sich derlei Rückstände auf dem Untergrund, hilft in der Regel auch die Anwendung einer Grundierung (Primer) nicht.

Umfangreiches Produktangebot

Wie bereits erwähnt, werden Schutzlacke in der Elektronikfertigung immer häufiger eingesetzt. Das hat zu einem deutlich größeren Angebot unterschiedlicher Produkte für vielfältige Einsatzzwecke geführt. Die zahlreichen Produkte, die angeboten werden, lassen sich im Wesentlichen nach drei Kriterien unterscheiden: erstens nach dem enthaltenen Lösungs- oder Bindemittel, zweitens nach dem Trocknungs- beziehungsweise Härtungsverfahren und drittens nach der Schichtdicke. Jedes dieser Kriterien hat besondere Eigenschaften und prozessrelevante Auswirkungen, die vor der Auswahl gründlich gegeneinander abgewogen werden müssen.
Aus dem umfangreichen Angebot den richtigen Schutzlack für den jeweiligen Einsatzzweck herauszufinden, ist eine komplexe Aufgabe, insbesondere wenn die beschichtete Baugruppe besonderen Bedingungen ausgesetzt sein wird. Für viele gewöhnliche Anwendungen gibt es ein breites Angebot an Schutzlacken, deren Qualität und Eigenschaften sich kaum voneinander unterscheiden. Bei ihrer Auswahl stehen deshalb andere Faktoren im Vordergrund wie etwa der Preis oder die Gefahren bei der Verwendung des Produkts. In Produktionen mit entsprechenden Anforderungen müssen die chemikalische Zusammensetzung des Schutzlacks und die Beschichtungstypen genau analysiert und optimal ausgewählt werden.

Auftragsverfahren von Schutzlacken

Pinselbeschichtung
Bei diesem Verfahren wird der Schutzlack von Hand mit einem Pinsel aufgetragen. Das ist bei Prototypen und Kleinserien einfach und kostengünstig, zumal der Werker sehr selektiv auftragen kann. Allerdings ist die Beschichtung in der Regel nicht gleichmäßig, die Fehleranfälligkeit ist hoch.

Tauchbeschichtung
Wie der Name bereits andeutet, wird bei diesem Verfahren die gesamte Baugruppe in den Schutzlack getaucht, das erfolgt meist maschinell. Prozessbedingt kommen hierfür nur Schutzlacke mit einer entsprechenden Viskosität infrage. Sollen bestimmte Zonen der Baugruppe nicht lackiert werden, müssen diese durch eine Maskierung geschützt werden, deren Aufbringung ein sehr aufwändiger Prozess ist.

Sprühbeschichtung
Ein kostengünstiger Weg den Schutzlack aufzutragen, ist das Sprühverfahren. Dieses kann manuell mit einer Sprühdose oder maschinell erfolgen. Eine Schwierigkeit dieses Verfahrens ist, dass die Unterseite von Bauteilen mitunter nur schwer oder gar nicht erreicht werden kann. Zudem ist eine gründliche Maskierung notwendig, wenn bestimmte Bereiche nicht lackiert werden sollen.

Automatische und selektive Beschichtung
Die selektive Beschichtung erfolgt meistens durch eine Maschine, die so programmiert wird, dass sie nur auf ausgewählte Bereiche der Baugruppe den Schutzlack aufträgt. Dadurch ist keine Maskierung notwendig. Der Prozess ist zuverlässig, hat allerdings den Nachteil, dass es schwierig sein kann, die Unterseiten der Bauteile zu erreichen. Bei häufig wechselnden Baugruppen ergibt sich außerdem ein hoher Programmieraufwand.

Sonstige
Neben den beschriebenen gängigen Methoden Schutzlacke aufzutragen, werden einige Unterarten und besondere Verfahren für Spezialanwendungen praktiziert, wie zum Beispiel das Spritz-, Flut-, Dispens- oder Vakuumverfahren. Diese haben jeweils spezifische Vor- und Nachteile, die Sie bei Bedarf mit einem Fachmann abklären sollten.

Genaue Belastungsanalyse durchführen

Um im Vorfeld den richtigen Schutzlack auswählen zu können, sollte genau abgeklärt werden, welchen Belastungen die beschichtete Baugruppe später ausgesetzt sein könnte. Die wesentlichen Faktoren dabei sind:

Temperaturbelastung
- max. Höhe
- Dauer
- Schwankungen

mechanische Belastung

Belastung durch Tages- bzw. UV-Licht

klimatische Belastungen
- Umgebungsatmosphäre
- salzhaltige Luft
- Feuchtigkeit
- wechselndes Mikroklima

Belastungen durch Betriebsstoffe
- Fette, Gase, Chemikalien usw.
- Einwirkdauer
- Temperaturen

Durch Tests kann im Vorfeld sichergestellt werden, dass der ausgewählte Lack den gewünschten Schutz bringt. Dabei können mehrere Prototypen mit unterschiedlichen Schutzlacken getestet werden, um die verwendeten Produkte miteinander vergleichen zu können. Es hängt von der Baugruppe und ihrem späteren Einsatzgebiet ab, welche Tests durchgeführt werden sollten. Je sensibler das spätere Einsatzgebiet ist, desto genauer sollten die Tests sein. Spezialisierte Dienstleister haben meist ein breites und professionelles Angebot an Testverfahren, bei dem auch eine Belastung von mehreren Jahren simuliert werden kann. Insbesondere Tests unter den Umweltbedingungen, unter denen die Baugruppe später einmal zum Einsatz kommen wird, sind dabei unerlässlich. Zu den Basistests gehört aber auch ein Leistungstests des Schutzlacks, bei dem die elektrischen Eigenschaften aufgezeichnet und ausgewertet werden.

Lösungsmittel: ja oder nein?

Die meisten Schutzlacke basieren auf Lösungsmitteln und sind vergleichsweise einfach zu verarbeiten. Zudem gewährleisten sie eine homogene Beschichtung, auch bei unterschiedlichen Anforderungen beziehungsweise Methoden. Ein weiterer Vorteil lösungsmittelbasierter coatings ist, dass sie ein breites Spektrum für die unterschiedlichsten Anwendungen bieten und deshalb sehr gut auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt werden können. Beispielsweise gibt es lösungsmittelbasierte Schutzlacke für harte und kratzfeste Coatings, die in mechanisch stark beanspruchten Umgebungen zum Einsatz kommen können.
Der Nachteil lösungsmittelbasierter Schutzlacke ist, dass das Lösungsmittel bei der Verarbeitung und Trocknung ausdünstet und es dadurch zu Emissionen kommt. Um diese zu minimieren, werden für emissionssensible Produktionsstätten Schutzlacke mit einem minimalen Lösungsmittelanteil angeboten (Low-Voc). Dort, wo große Stückzahlen verarbeitet werden, wird mitunter auf lösemittelfreie Schutzlacke zurückgegriffen, um Emissionen zu vermeiden

Hybridlacke für sekundenschnelle Trocknung

Außer der chemischen Zusammensetzung und den spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Schutzlacke ist auch ihr Trocknungs- beziehungsweise Härtungsmechanismus von Bedeutung. Der einfachste und kostengünstigste Weg ist, wenn das Lösungsmittel im Schutzlack einfach verdunstet und kein weiterer Prozessschritt zur Trocknung nötig ist. Bei oxidativ härtenden Lacken muss Sauerstoff zugeführt werden, um die Schutzschicht auszuhärten. Werden zwei oder mehr Komponenten zu einem Lack vermischt, kann sich daraus eine chemische Reaktion ergeben, die zur Trocknung beziehungsweise Aushärtung beiträgt. Das ist zum Beispiel dann erwünscht, wenn bei einer UV-Trocknung bestimmte Stellen nicht durch das Licht erreicht werden. Diese trocknen dann durch die eingebrachte Zusatzkomponente aus. Die UV-Trocknung erfolgt oftmals innerhalb von Sekunden und wird nicht zuletzt deshalb bevorzugt in Großserienfertigungen eingesetzt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl des geeigneten Schutzlacks ist das Auftragsverfahren. Auch hier wurden inzwischen zahlreiche Verfahren entwickelt und etabliert. Welches davon am besten geeignet ist, hängt vom jeweiligen Einsatzzweck sowie den Umgebungsbedingungen ab und sollte für jedes Projekt neu bewertet werden. Insbesondere die empfohlenen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen des Herstellers für das Auftragen des Schutzlacks sollten genau beachtet werden, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Andernfalls kann der Lack seine Schutzfunktion möglicherweise nicht oder nur eingeschränkt entfalten.

Reparaturfähigkeit im Vorfeld bedenken

Wenn die Baugruppe reparaturfähig sein soll, muss das bei der Auswahl des geeigneten Schutzlacks berücksichtigt werden. Für solche Fälle stehen im Wesentlichen zwei Verfahren zur Verfügung. Zum einen kann der Schutzlack so beschaffen sein, dass man ihn mit Hilfe bestimmter Produkte wieder ablösen kann, um die Reparatur durchzuführen. Zum anderen gibt es Schutzlacke, die durchlötet werden können. Unabhängig davon, welche dieser Methoden angewendet wird, muss anschließend eine Reparaturbeschichtung aufgebracht werden, damit die Baugruppe wieder im gewünschten Umfang geschützt ist.

Text: Volker Neumann