Schutzbeschichtungen sind eine spezielle Art von Beschichtung, die sich über die gesamte Oberfläche eines Materials erstreckt und zum Schutz verschiedener elektronischer Bauelemente vor thermischen, mechanischen und umweltbedingten Belastungen sowie zur Sterilisierung der Komponenten (z. B. in der medizinischen Industrie) eingesetzt werden kann. Die Vorteile von Schutzbeschichtungen sind vielfältig, aber der Hauptgrund für ihre Verwendung ist ihre Fähigkeit, sich vollständig an Oberflächen mit komplexen Geometrien anzupassen. Auch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen und ihre Fähigkeit zur gleichmäßigen Wärmeableitung (sogenannte wärmeleitende Schutzbeschichtungen) sind sehr wichtig in Umgebungen, in denen viel Restwärme erzeugt wird, die gleichmäßig verteilt werden muss, um Schäden an den Komponenten zu vermeiden. Wärmeleitende Schutzbeschichtungen werden zwar besonders häufig eingesetzt, aber auch andere Schutzbeschichtungen können bei elektronischen Bauelementen aus vielerlei Gründen verwendet werden.

Verwendete Materialien

Schutzbeschichtungen können aus einer Reihe von Materialien hergestellt werden. Dabei hat jedes Material je nach Anwendung seine eigenen Vorteile. Die Beschichtungen lassen sich mit einfachen Verfahren wie Sprühen oder Tauchen auftragen, aber der Schlüssel liegt in den speziellen Beschichtungsmaterialien, denn diese müssen flüssig genug sein, um die Oberfläche vollständig zu bedecken, und sie müssen härtbar sein, damit die Beschichtung zu einem wirksamen - und festen - Schutz wird. Die gängigsten Materialien für Schutzbeschichtungen sind Epoxidharze, Acrylate, Polyurethane, Silikon und Parylen. Alle haben spezielle Eigenschaften (und unterschiedliche Kosten) und werden daher in spezifischen Anwendungen bei elektronischen Bauelementen eingesetzt.

Epoxidharze sind isolierende Polymere, die sich hervorragend zur Wärmeableitung eignen. Sie sind robust genug, um einen Schutz gegen die meisten schädlichen Einflüsse zu bieten, lassen sich aber nur schwer nachbearbeiten und entfernen, sobald sie auf der Oberfläche des Substrats ausgehärtet sind. Der Einsatz von Chemikalien zerstört die Beschichtung, sodass das Verbrennen der Beschichtung häufig die einzige Möglichkeit ist, sie zu entfernen. Bei elektronischen Bauelementen ist dies jedoch kein besonders sinnvoller Ansatz.

Acrylharze sind ebenfalls eine andere Art von Polymerharz. Sie werden bei Raumtemperatur aufgetragen, sodass keine Hitze für den Auftrag erforderlich ist, und haben bekanntermaßen einige der besten Schutzeigenschaften aller flüssig aufgetragenen Beschichtungen. Zudem kommen Acrylharze zum Einsatz, weil sie sehr lange haltbar sind und während der Aushärtung keine Restwärme an die umliegenden Komponenten abgeben. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie von vielen Lösungsmitteln angegriffen werden können. Ihre thermische und mechanische Stabilität ist also hoch, ihre chemische Stabilität jedoch nicht.

Polyurethane werden am häufigsten verwendet, auch weil sie besonders kostengünstig sind. Urethane sind organische Basismoleküle mit einer esterhaltigen Gruppe, während Polyurethane polymere Materialien sind, die aus Urethanbindungen zwischen Monomereinheiten bestehen. Polyurethane kommen auch deshalb so häufig zum Einsatz, weil ihre Zusammensetzung sehr flexibel ist und für die Herstellung einer Vielzahl von Schutzbeschichtungen verwendet werden kann, darunter einkomponentige, zweikomponentige, UV-härtbare und wasserbasierte Schutzbeschichtungen. Sie bieten nicht nur einen guten Schutz gegen thermische, chemische und elektrische Einflüsse, sondern sind auch für ihre Feuchtigkeitsbeständigkeit bekannt. Der einzige Nachteil ist jedoch, dass sie mit einigen alkalischen Lösungsmitteln leicht entfernt werden können.

Silikone sind ein Polymermaterial, das aus sich wiederholenden Siloxan-Einheiten besteht (abwechselnd Sauerstoff- und Siliziumatome mit angehängten Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen). Das Silizium macht sie sehr temperaturbeständig und widerstandsfähig gegen andere Einflüsse. Deshalb werden sie auch als wärmeableitende Beschichtungen verwendet. Sie sind zwar beständig gegen chemische Erosion, aber sie sind nicht die stabilste Beschichtung, wenn es um mechanische Kräfte geht, und können sich leicht abnutzen.

Parylen ist die einzige Beschichtung, die auf Gasbasis aufgebracht wird. Durch dieses Aufbringungsverfahren kann die Beschichtung in sehr kleine Lücken eindringen, die andere Beschichtungsmethoden nicht erreichen. Außerdem bieten Parylen-Beschichtungen eine sehr gleichmäßige Beschichtung und benötigen keine Aushärtungsphase. Diese Beschichtung ist auch resistent gegen biologische Erosion und kann Bauelemente/Komponenten steril machen. Allerdings sind die Kosten für das Aufbringen von Parylen-Beschichtungen wesentlich höher als bei anderen Verfahren. Dadurch beschränkt sich der Einsatz dieses Verfahrens, wenn eine zusätzliche, hochpräzise Beschichtung nicht erforderlich ist.

Schutzbeschichtungen bei Bauelementen

Nicht alle Bauelemente in einem elektrischen Gerät werden mit einer Schutzbeschichtung versehen. In diesen Fällen sind andere Beschichtungstechnologien oder gar keine Beschichtung völlig in Ordnung. Es gibt jedoch einige Komponenten, die starken thermischen, mechanischen oder umweltbedingten Belastungen ausgesetzt sind und bei denen eine Beschichtung vorteilhaft ist, die die gesamte Oberfläche unabhängig von der Geometrie bedeckt. Die Eigenschaft, sich an viele verschiedene Oberflächen anzupassen und einen vollständigen Schutz zu bieten, hat sich bei komplexen Bauelementen und Geräten bewährt, bei denen konventionelle Beschichtungsmethoden nicht die gesamte Oberfläche schützen können, sodass die höheren Kosten gegenüber anderen Beschichtungsmethoden gerechtfertigt sind. Bauelemente werden außerdem durch Schutzbeschichtungen geschützt, wenn die Gefahr besteht, dass sie mechanisch oder thermisch belastet werden, beim Einbau grob behandelt, physisch beschädigt werden können oder steril sein müssen.

Es gibt unzählige Beispiele, die wir hier nicht alle aufzählen können. Aber wir können eine Auswahl verschiedener Bauelemente betrachten und damit die Bandbreite der Bauelemente, die schutzbeschichtet werden können, und die Gründe dafür aufzeigen. Diese Beispiele sollen zeigen, welche Möglichkeiten Schutzbeschichtungen bieten.

Das erste Beispiel sind Elektromotoren. Diese Motoren bestehen aus vielen kleinen und beweglichen mechanischen Teilen, die sich oft nur schwer beschichten und schützen lassen. Dennoch sind sie ein wichtiger Bestandteil vieler elektronischer Geräte. Epoxidharze, Polyurethane und Parylen sind aus verschiedenen Gründen eine häufige Wahl bei der Beschichtung von Bauelementen für Elektromotoren. Epoxidharze werden eingesetzt, weil sie die Innentemperatur des Motors regulieren können und dadurch zu einer längeren Lebensdauer beitragen. Zudem bieten Epoxidharze eine hohe Abriebfestigkeit. Polyurethane kommen in Motoren zum Einsatz, weil sie sowohl feuchtigkeits- als auch abriebfest sind. Und Parylen wird verwendet, weil es in seiner gasförmigen Form in kleine Zwischenräume eindringen und die komplexen Geometrien des Motors beschichten kann. Außerdem kann Parylen teilweise als Schmiermittel dienen, da es eine natürliche Trockenfilm-Schmierfähigkeit besitzt, die die Bewegung des Motors nicht behindert, wenn sich die Beschichtung auf der Oberfläche der beweglichen Teile befindet.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Leiterplatten. Sie sind eines der häufigsten Substrate, die mit einer Schutzbeschichtung versehen werden. Für die Beschichtung von Leiterplatten werden häufig sowohl Epoxide als auch Parylene verwendet. Epoxidharze kommen zum Einsatz, weil sie die Temperatur regulieren und eine kritische Überhitzung vermeiden können, was wiederum die Lebensdauer der Leiterplatte verlängert (da Leiterplatten viele Bauelemente enthalten, die gleichzeitig Wärme abgeben). Parylen wird verwendet, weil es alle kleinen Zwischenräume auf der Leiterplattenoberfläche abdecken kann. Zudem beruht seine natürliche Schmierfähigkeit auf hydrophoben Eigenschaften, sodass Leiterplatten mit Parylenbeschichtung weniger anfällig für Wasserschäden und Staub sind.

Ein drittes Beispiel sind Magnete, die in elektronischen Geräten eingesetzt werden. Der Einsatz von Beschichtungen bei diesen Bauelementen erscheint zwar nicht so naheliegend, aber sie sind häufig anfällig für eine Vielzahl von Chemikalien. Parylen ist das einzige Material, das aufgrund seines Aufbringungsverfahrens hierfür verwendet wird. Da die Beschichtung als Gas aufgebracht wird, können die Übergangsmetallionen im Magneten nicht mit den Beschichtungsmolekülen reagieren. Flüssige Beschichtungen neigen dazu, mit der Oberfläche des Magneten zu reagieren, ihn zu beschädigen und in der Folge seine Funktion zu beeinträchtigen.

Das vierte und letzte Beispiel sind Leistungswiderstände. In diesem Bereich kommt besonders häufig Silikon zum Einsatz, weil hier hohe Temperaturen herrschen und keine physikalischen Kräfte im Spiel sind. Die Wärme von Leistungswiderständen wird durch die Silikonbeschichtung abgeleitet. Da Silikonbeschichtungen hohen Temperaturen standhalten und diese gleichmäßig ableiten können, führen sie nicht zu einer lokalen Wärmeabgabe an einen bestimmten Teil des elektronischen Geräts.

Fazit

Mit Schutzbeschichtungen können elektronische Bauelemente unabhängig von ihrer Geometrie beschichtet werden, um sie widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen und mechanischen Abrieb oder steril (für den Einsatz in medizinischen Anwendungen) zu machen. Durch die Eigenschaft vieler Schutzbeschichtungen, Wärme von elektronischen Bauelementen abzuleiten, lässt sich zudem eine Überhitzung elektronischer Bauelemente infolge lokaler Wärmestellen verhindern, die aus der Restwärme der verschiedenen Bauelemente entstehen. Die Beschichtung ist ein weitreichendes Gebiet mit vielen verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten, bei denen zahlreiche Materialien für die Beschichtung verwendet werden können.