Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Alterungsverhaltens von Vergussmassen bei Hochtemperaturbelastung für einen verbesserten Schutz von Leistungselektronik

Aufgrund hoher Umgebungstemperaturen und hoher Ströme und Schaltungsfrequenzen von elektronischen Bauteilen ergeben sich in heutigen Anwendungen bereits Temperatureinwirkungen auf Vergussmassen oberhalb von 200°C, zukünftig werden Temperaturbelastungen bis zu 250°C erwartet. Ziel des Projekts ist es, das Alterungsverhalten von Vergussmassen bei hohen Temperaturen (100-250°C) zu untersuchen bzw. die Auswirkungen auf die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen der Werkstoffe zu erarbeiten. Dabei soll zunächst der Einfluss verschiedener Harz/Härter-Komponenten sowie deren Verhältnisse auf die chemische Struktur und die Auswirkungen einer Hochtemperaturbelastung auf das Alterungsverhalten und somit auf die Eigenschaften der Harzsysteme untersucht werden. Des Weiteren sollen die Auswirkungen von Füllstoffen evaluiert werden. Dabei werden Formulierungen mit verschiedenen Füllstoffarten, Morphologien, Partikelgrößen und Feststoffkonzentrationen hergestellt und der Einfluss auf die thermische Alterung identifiziert, um die wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung neuartiger polymerbasierter Kompositmaterialien zu schaffen. Das Vorhaben hat eine große wirtschaftliche und sogar branchenübergreifende Bedeutung, da die größtenteils aus KMU bestehende chemische Industrie durch das erlangte Wissen zukünftig neuartige Hochtemperaturvergussmassen herstellen kann. Dadurch würden alle Branchen profitieren, in denen Leistungselektronik zum Einsatz kommt (z. B. Automobil- und Energieversorgungsbranche), da in diesen Technologiebereichen hohe Temperaturen auf Bauteile und Versiegelungssysteme einwirken. Ein Transfer der erlangten wissenschaftlichen Grundlagen erfolgt während dem Projekt an die am projektbegleitenden Ausschuss beteiligten Unternehmen, welche mit der Thematik Vergussmassen betroffen sind. Darüber hinaus erfolgt ein Ergebnistransfer in die Wirtschaft durch beispielsweise Fachzeitschriften, Publikationen und Seminare.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt AlVerHo beschäftigte sich mit der Alterung von Vergussmassen bei Hochtemperaturen. Für vielfältige Anwendungsbereiche und einen breiten Wissensstand wurden im ersten Projektabschnitt die gängigen Materialklassen (ohne Füllstoffe) getestet. Es handelt sich dabei um Epoxide, Polyurethane, Polyesterimide und Silikone. Zur Vergleichbarkeit der Produkte wurden diese bei einer Temperatur von 125, 185 und 250 °C für maximal 1000 h in einem Umluftofen gelagert und zu unterschiedlichen Zeitpunkten entnommen. Die anschließende systematische Charakterisierung lieferte Erkenntnisse über die Dauereinsatztemperatur der Materialien. Daraus wurden zwei grundsätzlich verschiedene Systeme ausgewählt. Im Hartverguss war dies das Epoxidharz Epoxonic EX3466 und im Weichverguss das Silikon Elastosil RT 745 A/B.

Im zweiten Projektabschnitt wurden die beiden Systeme mit Füllstoffen modifiziert, um den Einfluss auf das Alterungsverhalten zu untersuchen. Dabei handelt es sich um Aluminiumoxid und um Siliciumdioxid. Als weitere Versuchsparameter wurden die Füllstoffe mittels einer Silanisierung auf die jeweilige Vergussmasse angepasst. Dadurch ergab sich eine Versuchsmatrix aus Konzentration und Oberflächenmodifizierung der Füllstoffe.

Die Temperaturbeständigkeit der Silikone konnte durch die Zugabe der Feststoffe verbessert werden. Bei 250 °C fand beim ungefüllten Harzsystem noch eine Zersetzung statt. Die gefüllten Proben dagegen waren weiterhin als vollständige Masse nach 1000 h erhalten geblieben. Bei den gefüllten Epoxiden nahmen die Diffusionswege durch den Feststoff zu, was zu einem Abfall der mechanischen Werte geführt hat.

Die Ergebnisse der aufwendigen Alterungsversuche können als Richtwert für die Lebensdauervorhersage reeller Bauteile herangezogen werden. Im Projekt AlVerHo wurden grundsätzliche Struktur-Eigenschaftsbeziehungen untersucht. Auf Grund der vielfältigen Anwendungsgebiete der Vergussmassen müssen konkrete Bauteile spezifisch untersucht werden.