Zuverlässigkeit sichern: Verguss-Techniken und Flachband-Abdichtung in Schaltern & Relais

Weitere Wege zur luftdichten Abdichtung in Elektronikgeräten

Zuletzt sprachen wir über die Wichtigkeit eines vakuumdichten Glas-Metall-Dichts in Elektronikprodukten. Ähnlich wird Verguss (Encapsulation) oft in der Fertigung genutzt, um ein dicht verschlossenes Gehäuse für elektronische Schaltgeräte zu schaffen – einschließlich Flachband in Halbleitern, die in Halbleiterrelais (SSR) verwendet werden.

Was ist Verguss?

Beim Verguss wird ein elektronisches Teil oder eine Baugruppe vollständig in ein festes oder gallertartiges Compound eingebettet – für Stoß- und Vibrationsfestigkeit, zum Schutz vor Staub, Feuchtigkeit und korrosiven Agenten. Meist wird das Teil in ein flüssiges Dielektrikum (Silikon, Epoxid, Urethan) getaucht oder injiziert und dann ausgehärtet. Für lunkerfreien Verguss wird das Produkt in eine Vakuumkammer gelegt, solange das Harz flüssig ist; Vakuum wird gezogen und gehalten, um Luft aus internen Hohlräumen und dem Harz zu ziehen, dann freigegeben, sodass Atmosphärendruck Lunker kollabiert und flüssiges Harz in jede Ecke drückt.

Dielektrischer Verguss wird breit für elektronische Leistung und zum Schutz von Halbleiterbauteilen vor Umgebungs- und mechanischen Schäden eingesetzt; als Bonus bietet Verguss oft auch die Struktur, die eine Baugruppe zusammenhält.

Flachband und Halbleiter: Die Kraft hinter Halbleiterrelais

Viele heutige Schaltanwendungen nutzen Halbleiterrelais (SSR) zur Steuerung und Schaltung von Stromkreisen – mit Leistungshalbleiter auf Flachband für Ströme bis ~100 Ampere. SSRs sind schneller als elektromechanische Relais; da keine beweglichen Teile verschleißen und keine Kontakte auspittern oder Kohlenstoff aufbauen, haben SSRs längere Lebensdauer und konstanten Ausgangswiderstand unabhängig von Nutzung.

Leistungshalbleiter bestehen aus einzelnen Diskretbauteilen oder oft integrierten Schaltkreisen, auf Flachband arrayiert, als Schalter oder Gleichrichter für Hochstrom-/Hochspannungsanwendungen wie Schaltnetzteile. Gängige Leistungsbauelemente: Leistungsdiode, Thyristor, MOSFET, IGBT.

Kühlkörper und Wärmeableitung von Halbleitern

Da Halbleiter bei erhöhten Temperaturen schlecht performen, benötigen Leistungsbauelemente in SSRs Kühlkörper zur Ableitung der durch hohe Temperaturen und Thermozyklen erzeugten Wärme. Gehäuse ermöglichen Wärmeableitung vom Halbleiter in die Umgebung. Befestigung eines Leistungsbauelements am Kühlkörper entfernt auch durch Betriebsverluste erzeugte Wärme. Zudem macht Verpackung Halbleiter unempfindlicher gegen mechanischen Schock, Vibration, Feuchtigkeit, externe Magnetfelder.

Verguss wird oft zur Gehäuseherstellung für Halbleiterkomponenten genutzt, einschließlich Flachband. Hermetische Verpackung gelingt auch durch Positionieren eines Halbleiterchips in Gehäusekavität, Vakuumziehen und Verschließen mit Keramik- oder Metallkappe.

Wie bei Glas-Metall-Dicht ist es wichtig, dass die thermische Ausdehnung des Verpackungsmaterials mit der des Silizium-Halbleiters kompatibel ist. Ebenso kritisch: Flachband darf keine Risse, Spalten oder andere Oberflächenzustände haben, die die Integrität des versiegelten Gehäuses gefährden. Sorgfältige Sichtprüfung und Wirbelstromprüfung (ECT) am Flachband stellen sicher, dass es frei von Oberflächen- und Unterflächenfehlern ist. (Mehr zu ECT im vorherigen Blog – oder rufen Sie Metal Cutting Corporation an!)

Zusätzlich, wo Vergussharz direkt in das elektronische Bauteil injiziert wird, muss sichergestellt sein, dass die Präzisionsfertigungsanlage korrekt programmiert ist, um das richtige Materialverhältnis zu liefern und ein luftdichtes Gehäuse zu formen, ohne den empfindlichen Halbleiter zu beschädigen.

Abdichtung des Umschlags in Quecksilberschaltern

Ein weiteres oft verggossenes elektronisches Gerät ist der Quecksilberschalter. Wie der Name sagt, nutzt er eine kleine Menge flüssiges Quecksilber zum Öffnen/Schließen eines Stromkreises. Da schon ein Tropfen Quecksilber sehr schwerkraftempfindlich ist, bietet er einzigartige Sensorfunktion für einfache, niederkraftige Schaltmechanismen.

Quecksilberschalter bestehen aus einem oder mehreren Kontaktpaaren in einem versiegelten Glasumschlag mit Quecksilberperle; der Umschlag kann auch Luft, Inertgas oder Vakuum enthalten. Der Schalter schließt oder öffnet den Kreis beim Kippen, wodurch Quecksilber Kontakte berührt oder verlässt. Er kann mehrere Kontaktpaare enthalten, die bei verschiedenen Winkeln schließen, um Bewegung in verschiedene Richtungen zu erfassen.

Da Quecksilber ein giftiges Metall mit streng regulierter Verwendung und Entsorgung ist, wurden viele frühere Anwendungen im Laufe der Jahre ersetzt. Beispiel: Einsatz in Neuwagen – für Lichtsteuerung, ABS – wurde in den USA vor über einem Jahrzehnt eingestellt. Doch Quecksilberschalter spielen weiterhin wertvolle Rolle in Sicherheitsgeräten: Kippschalter für Überroll-/Kippwarnungen in Baumaschinen. In Flugzeugen nutzen elektrisch angetriebene Horizonteinrichtungen (künstliche Horizont) noch Quecksilberschalter zur Gyro-Achsen-Stabilisierung. Auch als Kippalarm in manchen Automaten.

Das luftdichte Fazit

Ob Glas-Metall-Bindung in Glühlampe, verggossenes Gehäuse eines Halbleiters mit Flachband in SSR, oder Umschlag in Quecksilberschalter – kritisch ist, dass die Abdichtung luftdicht ist. Die Zusammenarbeit mit den richtigen Partnern sichert, dass kritische Elektronikkomponenten und Prozesse entlang der Lieferkette getestet werden, für gewünschte Endergebnisse.

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