DE19742327A1 - Verfahren zur Beschichtung von Metallteilen und anderen starren Gegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschich­ tung von Metallteilen und anderen starren Gegenstän­ den, insbesondere von elektronischen Bauelementen und Bauteilen.

Die Miniaturisierung von Erzeugnissen und die ständi­ ge Erweiterung des Einsatzgebietes elektronischer Bauelemente und Bauteile und die rauher werdenden Einsatzbedingungen zwingen zu neuen Überlegungen, um Metallteile und andere starre Gegenstände sowie derar­ tige Bauelemente und Bauteile vor ungünstigen Einflüs­ sen, wie klimatischen, chemischen, mechanischen und elektromagnetischen Einflüssen zu schützen.

Es ist bekannt, elektronische Bauelemente und Bautei­ le durch hermetisch geschlossene Keramik- oder Metall­ gehäuse vor derartigen ungünstigen Einflüssen zu schützen. Die damit bewirkte Kapselung der elektroni­ schen Bauelemente und Bauteile bildet zwar einen guten Schutz, jedoch verbinden sich damit hohe Ko­ sten, und es ist eine solche Kapselung für die mei­ sten Anwendungsgebiete elektronischer Bauelemente und Bauteile nicht erforderlich.

Es wurde deshalb dazu übergegangen, elektronische Bauelemente und Bauteile mit Ummantelungen aus Polyme­ ren zu versehen (W. Smetana, W. Wiedermann, G. M. Fasching, "Anwendung von polymeren Umhüllmaterialien in der Hybridmikroelektronik", TU Wien, Kunststoffe 75 (1985) 3, S. 174/178). Bekannte technische Lösun­ gen sind dazu das Spritz-, Pinsel- und Walzverfahren (Peter A. Knödel, "Die Schutzlackierung von bestück­ ten Leiterplatten", Metalloberfläche (1989) 4/5).

Weit verbreitet ist das sogenannte Tauchverfahren, um elektronische Bauelemente und Bauteile mit Umhüllun­ gen aus Kunststoff zu beschichten (DE-G 92 09 682.4). Die zu beschichtenden Bauelemente und Bauteile werden unter definierten Prozeßparametern, wie der Ein- und Austauchgeschwindigkeit, der Viskosität des Beschich­ tungsmaterials und der Verweilzeit in diesem Materi­ al, in das Umhüllungsmaterial getaucht. Nach dem Tauchen wird das beschichtete Bauelement oder Bauteil einer Trocknung unterzogen, wobei eine Trocknungszeit in Abhängigkeit von der Art und der aufgetragenen Dicke des Beschichtungsmaterials von 10 Minuten bis zu 24 Stunden zwischen den einzelnen Tauchvorgängen üblich ist. Als Polymermaterial kommen insbesondere Silikon-, Acryl- oder modifizierte Alkylharze zur Anwendung.

Dieses Tauchverfahren hat jedoch insbesondere den Nachteil, daß im Bereich der geometrischen Kanten der zu umhüllenden Komponenten keine ausreichende Schutz­ wirkung, insbesondere Isolierung, erreicht wird. Die an sich erforderliche Schichtdicke ist an diesen Stellen zu gering oder das Beschichtungsmaterial zieht sich aufgrund seiner Oberflächenspannung, insbesondere bei schärferen oder spitzen Kanten, zur Mitte der Komponente zurück, so daß sich an den geometrischen Kanten eine Schwachstelle hinsichtlich der Schutz- und Isolationswirkung des Beschichtungsma­ terials herausbildet.

Das Auftragen des Beschichtungsmaterials und die Kantendeckung sind insbesondere vom Radius der zu beschichtenden Kante abhängig. Je kleiner der Radius, desto schlechter die Deckung mit dem Beschichtungsma­ terial. Da der Radius der Kante der zu umhüllenden Komponente eine feste Größe ist, kann in diesem Bereich nur eine schlechte oder keine Schutz- und Isolationswirkung erreicht werden. Im ungünstigsten Fall treten sogenannte spitzen auf, d. h. Kantenstel­ len, auf denen dann kein Beschichtungsmaterial haftet oder dieses eine völlig unzureichende Schichtdicke aufweist.

Die DE 34 45 922 C2 offenbart nun ein Verfahren zum Herstellen von Schutzbeschichtungen aus Kunststoff an Kanten, Ecken und Auflageflächen von Metallteilen und anderen starren Gegenständen im Tauchverfahren, bei dem die zur Reaktion kommenden Ausgangskomponenten aus UV-härtbarem Reaktionsharz, einem reaktiven Verdünner und einem Photoinitiator bestehen und bei Verarbeitungstemperatur eine vergleichsweise hohe Viskosität aufweisen und daß nach dem Auftrag eine Verteilung der flüssigen Mischung bis zum Erhalt der gewünschten Beschichtungsdicke vorgenommen und die Schicht anschließend gehärtet wird.

Diese technische Lösung hat insbesondere die Nach­ teile, daß es technologisch aufwendig und eine größe­ re Anzahl von Tauchvorgängen erforderlich ist mit der damit verbundenen kostenmäßigen Belastung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Beschichtung von Metallteilen und anderen starren Gegenständen, insbesondere elektronischen Bauelemen­ ten und Bauteilen bereitzustellen, das bei einer minimalen Anzahl von Tauchungen eine ausreichende Schutz- und Isolationswirkung an Kanten, Ecken und Spitzen der Teile gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbindet sich der besondere Vorzug, daß an Stelle von bisher 4 bis 5 und zum Teil noch mehr Tauchungen mit nur zwei Tauchvorgängen eine wesentlich bessere Kanten-, Ecken- und Spitzendeckung und damit auch bessere Schutz- und Isolationswirkung erreicht wird, bei Einhaltung der für die elektrische Isolation geforder­ ten Widerstandswerte. Die positiven Effekte sind wei­ terhin Einsparungen an Fertigungszeit und Material, eine höhere Produktivität, eine wesentliche Senkung der Ausschußquote und weniger Reklamationen mit einer damit verbundenen Senkung der Reklamationskosten.

Im folgenden soll die Erfindung an Ausführungsbeispie­ len näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

Als elektronisches Bauelement wird eine verzinnte Stiftleiste 2 × 8-polig verwendet, wie sie in Plati­ nen eingelötet wird. Die ausgewählte Stiftleiste besitzt durch ihre geometrische Gestalt ausreichend scharfe Kanten, um die Deckungseigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens an diesen Stellen nach­ weisen zu können.

Die entfettete Stiftleiste wird mit einem geeigneten Transportelement, hier einer Steckvorrichtung, und unter einer N₂-Atmosphäre in das Tauchbad geführt. Die freizubleibenden Stifte werden durch geeignete Vorrichtungen, im vorliegenden Beispiel durch Schutz­ häubchen, abgedeckt. Die Eintauchgeschwindigkeit wurde mit 5 mm/s so gewählt, daß sich an der Stiftlei­ ste keine Gaseinschlüsse bilden konnten. Die Stift­ leiste wurde mit gleichbleibender Geschwindigkeit vollständig in das Tauchbad eingebracht. Als Beschich­ tungsmaterial wurde der unverdünnte Überzugslack SL 1339 N, rot-transparent der Firma Lackwerke Peters GmbH + Co. KG verwendet. Die Tauchverweilzeit betrug 30 s.

Danach wurde die Stiftleiste aus dem Tauchbad ge­ bracht und ohne Zwischentrocknung einem Wirbelbettre­ aktor zugeführt. Bei einer Verweilzeit von 30 s wurde die beschichtete Stiftleiste im Wirbelbett von Mikro­ glaskugeln, die einen Durchmesser von 5 µm bis 60 µm und einen X₅₀-Wert von 35 µm aufwiesen, gehalten. Zum Einsatz kamen Mikroglaskugeln Spheriglass 3000 CP 00 der Firma Pötters-Baltotini GmbH. Durch die Oberflä­ chenklebrigkeit der ersten Beschichtung haften die Mi­ kroglaskugeln auf der Stiftleiste und bewirken so eine Vergrößerung des Radius der zu schützenden Kanten. Nach einer Zwischentrocknung von 60 Minuten wurde die Stiftleiste ein zweites Mal bei unveränder­ ter konstanter Eintauchgeschwindigkeit getaucht. Als Beschichtungsmaterial wurde erneut der bereits genann­ te Überzugslack eingesetzt. Bei beiden Tauchvorgängen wurde die beschichtete Stiftleiste mit einer konstan­ ten Austauchgeschwindigkeit von 0,5 mm/s aus dem Tauchbad ausgebracht. Die Beschichtung der Stiftlei­ ste wurde anschließend unter normalen atmosphärischen Bedingungen und bei Raumtemperatur ca. 24 Stunden gehärtet.

Messungen haben ergeben, daß die auf die beschriebene Weise mit nur zwei Tauchvorgängen beschichtete Stift­ leiste einen Widerstand von mehr als 10⁸ Ohm (Ω) aufwies.

Die beschichtete Stiftleiste wurde dazu in ein Queck­ silberbad getaucht und der Widerstand der Beschich­ tung mit einem Multimeter BBC Metrawatt M 2110 gemes­ sen. Das bedeutet, daß durch den erfindungsgemäßen Zwischenschritt, dem "Bestäuben" mit Mikroglaskugeln, eine den Anwendungserfordernissen gerecht werdende Isolation der Stiftleiste mit nur zwei Tauchvorgängen gesichert werden konnte.

Selbst bei simulierten Spannungsstößen durch mehrmali­ ges An- und Ausschalten der Spannungsquelle war kein Widerstandsabfall oder -zusammenbruch festzustellen. Mikroskopische Aufnahmen belegen, daß durch das Aufbringen der Mikroglaskugeln beim anschließenden zweiten Tauchvorgang nicht eine separate Schicht des Tauchlackes gebildet wird, sondern der Lack, insbeson­ dere bedingt durch die unterschiedliche Größe der Mikroglaskugeln, zwischen diesen bis zur ersten Schicht fließen und mit ihr eine elastische Verbin­ dung bilden kann.

Ausführungsbeispiel 2

Eine entfettete Stiftleiste, wie bei Ausführungsbei­ spiel 1, wird bei konstanter Eintauchgeschwindigkeit von 5 mm/s vollständig in das Tauchbad geführt. Als Beschichtungsmaterial wurde DOW CORNING Überzugslack 1-2577 der Firma DOW CORNING GmbH verdünnt mit Toluol im Volumenverhältnis 1 : 1 verwendet.

Nach einer Tauchverweilzeit von 30 s wird die be­ schichtete Stiftleiste mit einer Austauchgeschwindig­ keit von 0,5 mm/s aus dem Tauchbad ausgebracht und unmittelbar danach mit der noch klebrigen Beschich­ tung in den Wirbelbettreaktor geführt und dort für 30 s im Wirbelbett von Keramikmikroteilchen gehalten. Nach einer Zwischentrocknung bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von 60 Minuten wird die Stiftleiste anschließend mit einer Eintauchgeschwindigkeit von 5 mm/s in das zweite Tauchbad eingebracht, das dies­ mal unverdünnten DOW CORNING Überzugslack 1-2577 der Firma DOW CORNING GmbH enthielt. Nach einer erneuten Tauchverweilzeit von 30 s wurde die beschichtete Stiftleiste mit einer Austauchgeschwindigkeit von 0,5 mm/s aus dem zweiten Tauchbad gebracht und an­ schließend die aufgebrachte Beschichtung durch Luft­ trocknung bei Raumtemperatur ausgehärtet.

Eine Messung des Widerstandes, wie im Ausführungsbei­ spiel 1 beschrieben, und direkt an der Stiftleiste mit dem Philips PM 2525 Multimeter ergab Wider­ standswerte größer 10⁸ Ohm (Ω). Versuche haben erge­ ben, daß die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Schutzschicht auch bei starken Tempera­ turschwankungen, die ansonsten nicht selten zu Span­ nungen und Rissen in den Umhüllungen führen, ihre Isolations- und Schutzwirkung nicht verliert und keine Alterungserscheinungen aufwiesen.

Erfindungsgemäß beschichtete elektronische Bauelemen­ te wurden Temperaturschwankungen von ca. 90°C ausge­ setzt. Sie wurden dazu für 15 Minuten bei einer Temperatur von 110°C im Wärmeschrank gehalten und anschließend innerhalb von 15 Minuten auf ca. 20°C abgekühlt. Sowohl nach 10facher als auch nach 20fa­ cher Wärmebehandlung der geschilderten Art betrug der Widerstand mehr als 10⁸ Ohm (Ω).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den an sich für die Anwendung des Tauchverfahrens bekannten Poly­ meren, wie Silikonharzen, Acryl- oder modifizierten Acrylharzen durchgeführt und auch für die Beschich­ tung von Metallteilen und anderen starren Gegenstän­ den angewendet werden.

Als elektrisch nichtleitendes festes Material können außer Mikroteilchen aus Glas auch solche aus Keramik oder Plaste auf die Beschichtung aufgebracht werden. Es kann sich dabei um Mikroglaskugeln, Mikrokeramikkugeln, Mikrostäbchen, Plättchen oder andere unregelmäßig geformte Mikroteilchen handeln. Die aufgebrachte Beschichtung kann auf bekannte Art und Weise, so z. B. mit UV- oder Elektronenstrahlen oder einfacher Lufttrocknung bei Raumtemperatur, je nach Härtungssystem, gehärtet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Beschichten von Metallteilen und anderen starren Gegenständen, insbesondere elektronischen Bauelementen und Bauteilen, bei dem das zu beschichtende Teil mehrmals mit einem Polymeren tauchbeschichtet und die Be­ schichtung anschließend gehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Teil in ein das Beschichtungsmaterial enthaltende Bad getaucht, nach dem ersten Tauchvorgang auf die Schutzbeschichtung des Teils ein elektrisch nichtleitendes festes Material aufgebracht, das Teil anschließend nochmals in ein das Beschich­ tungsmaterial enthaltende Bad getaucht und danach die Beschichtung gehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als elektrisch nichtleitendes festes Material Mikroteilchen, vorzugsweise aus Glas oder Keramik, auf die Beschichtung aufgebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mikroteilchen Mikroglaskugeln, Mikrokeramikkugeln, Mikrostäbchen, Plättchen oder andere unregelmäßig geformte Teilchen sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroglaskugeln einen Durchmesser im Bereich zwischen 5 µm und 60 µm aufweisen und der X₅₀-Wert vorzugsweise bei 35 µm liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nichtleitende feste Material im Wirbelbett auf das Beschichtungsmaterial aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit dem aufgebrachten elektrisch nichtleitenden festen Material vor dem zweiten Tauchvorgang einer Zwischentrocknung unterzogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des Beschichtungsmaterials im zweiten Tauchbad größer ist als die des Beschichtungsmaterials im ersten Tauchbad.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Beschich­ tungsmaterialien des ersten und des zweiten Tauchbades qualitativ unterscheiden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintauchge­ schwindigkeit 0,5 mm/s bis 10 mm/s, vorzugswei­ se 8 mm/s, die Tauchverweilzeit 10 s bis 60 s, vorzugsweise 30 s, die Verweilzeit im Wirbel­ bett 20 s bis 80 s, vorzugsweise 40 s, die Zwischentrockenzeit 30 Minuten bis 90 Minuten, vorzugsweise 60 Minuten und die Austauchge­ schwindigkeit 0,1 mm/s bis 2,5 mm/s, vorzugswei­ se 0,5 mm/s, beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchvorgänge und die Beschichtung mit dem elektrisch nicht­ leitenden festen Material unter Schutzgasatmo­ sphäre, vorzugsweise einer Stickstoffatmosphäre erfolgen.