Vergießen, Injektionskleben - adhwise

Vergießen, Injektionskleben
adhäsion Kleben & Dichten, Heft 3/2002, S. 34-35
Dr.-Ing. Helmut Elsner
Vergießen, Injektionskleben
Vergießen und Injektionskleben sind Fertigungsprozesse, bei denen ein flüssiger Stoff in
einen fest umgrenzten Raum gefüllt wird, um sich dort zu verfestigen. Die Klebstoffapplikation
erfolgt, im Unterschied zu anderen Klebprozessen, erst nach dem Fügen. Beim Vergießen
wird die Schwerkraft zur Applikation des Klebstoffs genutzt, während beim Injektionskleben
andere Kraftwirkungen eingesetzt werden, z.B. hydrostatischer Druck oder Kapillarkräfte.
Im Gegensatz zur Paßflächenfertigung ist beim Vergießen bzw. Injektionskleben eine Haftung
zu den betroffenen Oberflächen erwünscht. Sie kann aber durchaus eine untergeordnete
Rolle spielen.
Die Paßflächenfertigung (Shimmen) gehört nicht zum Vergießen bzw. Injektionskleben, weil
dabei die Applikation vor dem Fügen erfolgt bzw. das Fügen eine nachfolgende
Montageoperation ist, die sich der gefertigten Paßfläche bedient.
Anwendungstechnische Merkmale
Der mit Klebstoff zu füllende Raum ist i.d.R. nicht gut zugänglich, so daß viele Verfahren zur
Oberflächenbehandlung und zum Klebstoffauftrag nur eingeschränkt möglich sind. Kommt es
auf vollständiges Füllen des Raums an, kann dies durch die Gestaltung der zu vergießenden
Bauteile bzw. des durch Injektionskleben zu füllenden Klebspaltes maßgeblich unterstützt
werden. Die Füllströmung sollte so konzipiert werden, daß sie alle Bereiche erreicht, die
Füllfront keine Hohlräume einschließt und die verdrängte Luft entsprechend der
Füllgeschwindigkeit entweichen kann.
Anwendungsbeispiele
Vergießen von Bauteilen im Gehäuse
Bauteile oder Komponenten sollen fest in ein Gehäuse einbracht werden. Ziel ist das Fixieren
und Schützen der Bauteile sowie die Erfüllung weiterer Funktionen, wie bspw.
Temperaturleitung. Dazu werden die Bauteile zunächst in einem oben offenen Gehäuse
plaziert, um dann den verbleibenden Raum zwischen den Bauteilen und dem Gehäuse mit
einer dünnflüssigen Vergußmasse von oben zu befüllen. Zwei Beispiele veranschaulichen
den Gehäuseveruß.
Vergußmasse
Abb. 1: Vergießen im Gehäuse

Verguß von Elektronikbauteilen
Beim Verguß von Elektronikbauteilen (z.B. Relais-Funktionsteile) in Gehäusen werden
typischerweise chemisch reagierende Klebstoffe als Vergußmasse verwendet. Zum Einsatz
kommen hauptsächlich zweikomponentige Klebstoffe 1 auf der Basis von Epoxidharz,
Polyurethan oder Silikon sowie einkomponentige, durch UV-Licht abbindende Klebstoffe 2 auf
Acrylatbasis. Neben den elektrischen Anforderungen an den Klebstoff wie
Durchgangswiderstand, Dielektrizitätskonstante oder Durchschlagsfestigkeit bestimmen
auch mechanische Anforderungen die Klebstoffauswahl. Je höher die Steifigkeit des
verwendeten Klebstoffs umso höher sind auch die Kräfte, die in Folge der
Klebstoffschwindung (Reaktions- und thermische Schwindung) auf die Bauteile einwirken. Bei
einem Gleitmodul unter 100 MPa können diese Kräfte in der Regel vernachlässigt werden.
Kabelterminalverguß
Beim Verguß von Kabelterminals werden die mit den Steckkontakten versehenen Kabelenden
in ein Steckergehäuse plaziert und dann meist mit einem Schmelzklebstoff vergossen. Sie
haben den Vorteil, daß bei ihnen keine Reaktionsschwindung auftritt. Auch die thermische
Schwindung des Klebstoffs muß nicht im vollen Umfang berücksichtigt werden, da zumindest
oberhalb der Kristalisationstemperatur schwindungsbedingte Spannungen durch
Krichvorgänge abgebaut werden. Die typischen Applikationstemperaturen von 160-220°C
sind im Gegensatz zu anderen Elektronikanwendungen bei Kabelterminals meist tolerabel.
Zusätzlich zum Fixieren und Schützen wird eine Zugentlastung der Kabelenden angestrebt.
Wegen der schwindungsbedingten, auf die Bauteile wirkenden Kräfte werden Klebstoffe mit
geringer Abbindeschwindung bevorzugt. Dabei ist der Unterschied zwischen linearer- und
Volumenschwindung zu beachten. Wird bspw. vom Klebstofflieferanten eine
Linearschwindung von -2% angegeben, so bedeutet dies eine Volumenschwindung von
-5,88%. Die Umrechnung wird, vorausgesetzt daß Schwindung ist in allen Richtungen gleich
(isotrope Schwindung), wie folgt durchgeführt.
Die relative Volumenschwindung entspricht der dritten Potenz der relativen
Linearschwindung.
Sv = Sl 3 Sv = relative Volumenschwindung
= geschwundenes Volumen / Ausgangsvolumen)
Sl = relative Linearschwindung
= geschwundene Länge / Ausgangslänge
Sv = 1 + (Pv / 100)
Sl = 1 + (Pl / 100)
Sv = (1 + (Pl / 100) ) 3
Pv = prozentuale Volumenschwindung
Pl = prozentuale Linearschwindung
Unterfütterung von integrierten Schaltungen (Chip-Underfill)
Integrierte Schaltungen werden immer kleiner. Damit werden sie auch immer empfindlicher
gegenüber mechanischen Belastungen. Um flache SMD-Schaltungen (Surface-mounted
Device) nach dem Kontaktieren (Bonden) auf dem Schaltungsträger zu fixieren, kann der
dünne Spalt zwischen Bauteil (Chip) und Schaltungsträger mit einem sehr dünnflüssigen
Klebstoff gefüllt werden. Dazu kann die Kapillarwirkung des engen Spalts genutzt werden, so
1
S. auch "Abbinden nach dosieren und mischen von Komponenten" adhäsion Kleben & Dichten Heft
11/2001, S. 30 f
2
S. auch "Abbinden durch Strahlung" adhäsion Kleben & Dichten Heft 03/2002, S. 34 f

daß sich der Klebstoff selbst in den Spalt hineinzieht (s. Abbildung 2).
Unterfüllmasse
Abb. 2: Unterfüttern von Bauteilen
Da an die Abbindegeschwindigkeit keine extremen Anforderungen gestellt werden, haben sich
durch UV-Licht voraktivierbare Klebstoffe in der Praxis gut bewährt.
Oberflächenverguss mit und ohne Umrandung (dam and fill / glob-top)
Um empfindliche Schaltungen, wie z.B. BGAs (Ball Grid Arrays) vor der Umgebung zu
schützen kann das "Glob-Top"-Verfahren oder das "Dam and Fill"-Verfahren eingesetzt
werden.
Beim "Glob-Top"-Verfahren (s. Abbildung 3) wird ein dicker Tropfen eines höher viskosen
Klebstoffs auf die Schaltung getropft. Der Tropfen verläuft, bis er die ganze Schaltung
bedeckt. Es ist prozeßtechnisch nicht ganz einfach, dieses Verlaufen des Tropfens so exakt
zu steuern, daß einerseits das ganze Bauteil bedeckt ist, andererseits jedoch benachbarte
Bauteile nicht verklebt werden.
Abb. 3: "Glob-Top"-Verfahren
Abdeckmasse
Um den mit Klebstoff abgedeckten Bereich besser definieren zu können, wird das "Dam and
Fill"-Verfahren eingesetzt. Dabei wird zunächst mit einem hochviskosen Klebstoff ein Damm
um die zu schützende Schaltung herum gelegt. Dannach wird die Fläche innerhalb des
Dammes mit einem niederviskosen Klebstoff gefüllt, bis die Schaltung vollständig abgedeckt
ist, wie Abbildung 4 zeigt.
Damm Füllmasse
Abb. 4 "Dam and Fill"-Verfahren
Diese Vergußanwendungen werden oft in schnell getackteten Fertigungslinien eingesetzt. Die
daraus resultierenden Anforderung an die Abbindegeschwindigkeit lassen sich meist nur
durch mit UV-Licht abbindende Systeme realisieren. Weiterhin werden hohe Anforderungen
an die chemische Reinheit des Klebstoffs gestellt, besonders um Korrosion der Kontakte und
Fehlströme bei kurzen Leiterabständen zu vermeiden.

Injektionskleben eines Fachwerkknotens
Mit Fachwerkkonstruktionen lassen sich tragende Strukturen bei geringem Gewicht
realisieren. Dabei werden Stäbe so zueinander angeordnet, daß Dreiecke entstehen. Die
Verbindungen zwischen den Stäben können mit verschiedenen Techniken, wie z.B.
Schwießen, Nieten oder Kleben, gefügt werden.
Kleben hat gegenüber den anderen Fügetechniken folgende Vorteile:
?? wärmearm, daher kein Hitzeverzug in der Struktur
?? flächige Kraftleitung, daher keine Schwächung durch Löcher oder örtliche
Spannungsspitzen
Das Beispiel einer mittels Injektionskleben gefügten Fachwerkstruktur verdeutlicht, wie diese
Vorteile konsequent zur Fertigungsvereinfachung genutzt werden können. Der Rohbau wird
aus Profilen und Knotenelementen zusammengesteckt. Dann wird er exakt ausgerichtet. Erst
jetzt wird der Klebstoff über Zuführkanäle im Knotenelement appliziert (s. Abb. 5). Die Struktur
weist keinen Hitzeverzug auf. Das Richten entfällt und vorgefertigte Komponenten können
ohne Anpaßarbeiten montiert werden (Europäisches Patent Nr. 0780279).
Fachwerkprofil
Gu knoten
Langtr ger
Abb. 5: Gußknoten für das "strukturelle" Injektionskleben
Autor:
Dr.-Ing. Helmut Elsner
Dorel Verlags GmbH & Co. KG
Technische Beratungs- und Informationssysteme
Goethestraße 10 B, D - 12207 Berlin
Internet: www.adhwise.de