Überzugslacke in Elektrotechnik und Elektronik

Überzugslacke, in der Fachsprache als Conformable Coatings bekannt, sind ein unverzichtbarer Bestandteil der modernen Elektronikfertigung. Sie stellen hauchdünne Polymerschichten dar, deren zentrale Aufgabe darin besteht, die Zuverlässigkeit und die spezifizierte Lebensdauer elektronischer Baugruppen, insbesondere Leiterplatten (PCBs), in ihrer jeweiligen Einsatzumgebung zu gewährleisten. Der Lack dient als ein wichtige "Barriere", die die empfindliche Elektronik vor den oft rauen realen Einsatzbedingungen, wie sie in der Automobilindustrie, der Leistungselektronik oder in Outdoor-Anwendungen vorherrschen, schützen soll.

Die umfassenden Schutz- und Funktionsaufgaben

Die Hauptfunktion der Coatings ist die Etablierung einer effektiven Sperrschicht gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, Wasserdampf und Kondenswasser. Denn dieser Schutz ist von essenzieller Bedeutung für den Korrosionsschutz, da Feuchtigkeit in Kombination mit minimalen Verunreinigungen – etwa Resten von Flussmitteln – zu einer Kriechwegbildung (CTI) oder einer elektrochemischen Migration (vor allem bei DC) führen kann. Diese Phänomen sind die Ursache für das Wachstum leitfähiger Oberflächenzerstörung oder leitfähigen Strukturen, sogenannter Dendriten, was mittelfristig zu Kurzschlüssen und einem Ausfall der Baugruppe führen kann. Darüber hinaus schützt die Lackschicht die Oberfläche vor atmosphärischen Umweltschadstoffen, darunter Staub, Salzsprühnebel und korrosive Gase wie Schwefelwasserstoff, die in Industriegebieten häufig anzutreffen sind. Die Abwesenheit dieser Verunreinigungen sichert die Einhaltung eines hohen Oberflächenisolationswiderstands (SIR) und verhindert die Bildung von Kriechströmen auf der Oberfläche.

Elektrisch betrachtet erhöht die Beschichtung die dielektrische Festigkeit zwischen Leiterbahnen, was besonders bei hohen Betriebsspannungen kritisch ist, und trägt damit dazu bei, Überschläge zu vermeiden. Auf mechanischer Ebene stabilisiert das Coating die Baugruppe gegen thermomechanische Belastungen und Vibrationen. Insbesondere Silikon- und Polyurethan-Lacke dämpfen schnelle Temperaturschwankungen und reduzieren die Belastung auf feine Lötstellen oder Drähte, wodurch Materialermüdung und Rissbildung vorgebeugt wird. Zusätzlich bieten sie eine widerstandsfähige Oberfläche gegen Abrieb und Handhabungsschäden, die während des Transports oder der Montage entstehen können. Als Prozessmerkmal wird oft ein UV-Fluoreszenzmittel in den Lack integriert; diese Eigenschaft erlaubt unter UV-Licht eine schnelle und präzise optische Inspektion zur Überprüfung der vollständigen und gleichmäßigen Benetzung aller kritischen Bereiche der Platine.

Chemische Klassifizierung und technische Profile

Die Wahl des geeigneten Coatings richtet sich nach der erwarteten Umweltbelastung und den Anforderungen an Reparierbarkeit und Temperaturbeständigkeit. Die wichtigsten Grundpolymere für Überzuglacke, die nach IPC-CC-830 (Qualifikation und Leistung von elektrischen Isoliermassen für gedruckte Leiterplatten) klassifiziert sind, bieten unterschiedliche technische Kompromisse.

Acrylharz-Lacke (AR) sind in der Regel lösemittelbasiert und bieten eine einfache Verarbeitung und eine ausgezeichnete Reparierbarkeit, da sie vergleichsweise leicht mit gängigen Lösemitteln wieder entfernt werden können. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen häufige Nacharbeit erforderlich ist. Allerdings ist ihre Chemikalienbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien begrenzt.

Polyurethanharz-Lacke (UR) zeichnen sich durch eine hervorragende Abriebfestigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Kraftstoffe, Öle und andere Lösungsmittel aus. Sie sind oft in 1K- oder 2K-Systemen erhältlich und werden bevorzugt dort eingesetzt, wo mechanische Belastungen und chemische Angriffe zu erwarten sind. Ihr Nachteil liegt in der erschwerten Reparierbarkeit, die meist mechanische Entfernung oder spezielle, aggressive Abbeizer erfordert.

Silikonharz-Lacke (SR) sind unübertroffen in ihrem extrem breiten Betriebstemperaturbereich, der typischerweise von Tiefsttemperaturen um -60°C bis hin zu Höchsttemperaturen über 200°C reicht. Ihre hohe Flexibilität ist ideal, um Spannungen bei starken thermischen Zyklen aufzunehmen. Allerdings können sie eine klebrige Oberfläche aufweisen und unterliegen bei falscher Formulierung der Gefahr der Silikonmigration, was benachbarte Fertigungsprozesse kontaminieren kann.

Epoxidharz-Lacke (ER), meist als Zweikomponenten-Systeme formuliert, sind hart und bieten damit den besten Schutz gegen physischen Abrieb und chemische Einflüsse. Sie eignen sich für sehr raue Umgebungsbedingunen. Ihre Rigidität ist jedoch auch ihr größter Nachteil, da sie bei starken Temperaturwechseln zu Rissbildung neigen können.

Das Hochleistungssystem Parylene (XY; z.B. Diener electronic), basierend auf Poly-Para-Xylylen, unterscheidet sich grundlegend in der Verarbeitung. Es wird durch ein chemisches Vakuum-Abscheidungsverfahren (CVD) als ein porenfreier Barriereschutz im Mikrometerbereich aufgebracht. Es bietet eine unübertroffene chemische Inertheit und ist die erste Wahl für die Medizintechnik und Raumfahrt, ist jedoch extrem kostspielig und nahezu unmöglich zu reparieren.

Anwendungen und notwendige Zulassungen

Die Anwendungsgebiete bestimmt die Anforderungen und die notwendigen Zulassungen. In der Automobil- und E-Mobilitätsindustrie müssen Schutzlacke die strengen Anforderungen der OEMs (Original Equipment Manufacturers) erfüllen, die oft über die allgemeinen Standards hinausgehen. Hier sind Polyurethan- oder spezielle UV-härtende 2K-Systeme erforderlich, die eine hohe Temperaturschockbeständigkeit (angelehnt an AEC-Q Standards) und eine garantierte Beständigkeit gegen spezifische Betriebsflüssigkeiten wie Öle, Bremsflüssigkeit und Kühlerfrostschutzmittel aufweisen. In der Industrie- und Leistungselektronik ist die Einhaltung von Flammschutz-Klassifizierungen nach UL 94 V-0 in vielen Ländern zwingend, um die Entstehung oder Ausbreitung eines Brandes zu verhindern. Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sind Lacke erforderlich, die den NASA Outgassing-Test (ASTM E 595) bestehen, um zu verhindern, dass flüchtige Bestandteile im Vakuum ausgasen und optische Systeme oder Sensoren verschmutzen. Erfolgreiche Produkte im DACH-Raum besitzen daher in der Regel die Zertifizierungen nach IPC-CC-830C und UL 94 V-0 und sind häufig auch nach der IEC 61086 (Elektrische Isolierstoffe für die Anwendung als Beschichtung für bestückte Leiterplatten) geprüft.

Aufgabe von elektrischen Schutzlacken: Verhinderung von Stromlecks und Kurzschlüsse aufgrund von Feuchtigkeit und Verunreinigungen aus der Betriebsumgebung. Allgemein Korrosionsschutz der Leiterbahnen, Bauteilanschlüsse und -gehäuse und Verbesserung der Ermüdungslebensdauer von Lötstellen und allgemein der Baugruppe durch Reduktion der mechanischen- und thermischen Schockbelastung. Ausserdem Verhinderung von Lichtbogen, Korona und Tracking durch eine zusätzliche Isolationsschicht und Vibrations- und Stoßschutz von Kleinteilen, die nicht mechanisch (verschrauben, kleben, klemmen) befestigt werden können.

Verarbeitung, Prozessführung und Fehlervermeidung

Die korrekte Applikation der Schutzlacke (üblich sind 12,5µ bis 200µm Schichtstärke) ist ein komplexer Prozess, bei dem kleinste Abweichungen zu Fehlern und damit zu Ausfällen führen können. Die gängigen Applikationsmethoden sind die selektive Beschichtung per Dosieranlage, das Tauchen und das Sprühen. Die selektive Beschichtung ist die am weitesten verbreitete Methode in der automatisierten Fertigung. Sie zeichnet sich durch hohe Präzision bei gleichzeitiger Materialersparnis aus, da nur die notwendigen Bereiche beschichtet und kritische Zonen wie Steckverbinder präzise ausgespart werden. Dies geschieht durch kontrollierte Dosier- und Sprühventile.

Ein kritischer Faktor bei allen flüssigen Lacken ist die Oberflächenvorbereitung: Die Platine muss vor dem Auftrag absolut sauber und trocken sein. Rückstände von Flussmitteln oder Fingerabdrücken führen zur mangelhaften Haftung (Adhäsion) und können im späteren Betrieb zu Delamination oder Blasenbildung führen. Der zweite entscheidende Faktor ist die Viskosität und Rheologie des Lackmaterials. Ist der Lack zu dünn eingestellt, tendiert er dazu, von scharfen Kanten abzulaufen, was zu ungenügender Kantenabdeckung führt – einer häufigen Fehlerquelle, da Kanten die anfälligsten Stellen für Korrosion sind. Ist der Lack zu dick, kann dies zu Spannungen im Film und zur Rissbildung während thermischer Zyklen führen. Die Filmdicke muss daher mit geeigneten Messgeräten (z.B. Wirbelstrom- oder Ultraschallmessung) präzise kontrolliert werden.

Die Aushärtung stellt ebenfalls eine Fehlerquelle dar. Bei UV-härtenden Systemen muss die UV-Dosis exakt eingehalten werden. Bei unzureichender Belichtung z.B. im Schatten von Bauteilen bleiben Bereiche weich und klebrig (Tackiness). Bei Dual-Cure-Systemen muss der anschließende thermische oder feuchtigkeitsbasierte Nachhärtungsprozess strikt kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die Lackbereiche unter den Bauteilen vollständig vernetzen. Zur Fehlervermeidung ist außerdem z.B. bei Tauch- und Spritzapplikationen eine präzise Maskierung aller nicht zu beschichtenden Bereiche, wie Steckverbinder, Potenziometer und Testpunkte, notwendig, um deren Funktionalität zu erhalten.

Eine weitere Fehlerquelle ist die Blasenbildung. Blasen entstehen bei einem zu hohen Sprühdruck, tauchen bei einer zu hohen Restfeuchtigkeit (z.B. ungenügende Trocknung nach der Reinigung) im Substrat auf, bilden sich natürlich bei eingeschlossener Luft unter Bauteilen und bei zu hoher Auftragsgeschwindigkeit (u.a. Schaumbildung). Blasen sind Schwächungen der Isolationswirkung in elektrischer und mechanisch-chemischer Hinsicht und können u.a. die erwartete Schutzdauer für die Baugruppe massiv herabsetzen.

Die Rolle des Coatings als Personenschutz (Elektrische Sicherheit)

Obwohl ein Conformal Coating die dielektrische Festigkeit zwischen Leiterbahnen erhöht und somit als zusätzliche Isolation für die Schaltung selbst dient, darf die Lackschicht keinesfalls als ausreichende oder alleinige Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag für Personen gewertet werden. Der Lack ist primär als passiver Umweltschutz konzipiert, dessen Hauptaufgabe die Verhinderung von Korrosion und Funktionsausfällen ist. Er ist in der Regel nicht als isolierendes Schutzmittel der Klasse 0 für <1000V gemäß den strengen deutschen Normen (wie DIN VDE 0105-100 oder der DGUV Regel 103-011) geprüft und zugelassen. Die Schutzwirkung gegen direktes Berühren kann durch die typische dünne Schichtdicke (25µm – 75µm), mögliche Beschädigungen im Lackfilm (z.B. durch Kratzer oder Abrieb) oder durch Oberflächenfeuchtigkeit kompromittiert werden. Dies bedeutet, dass selbst an einer lackierten Baugruppe, die unter Spannung steht (AuS), alle strengen Sicherheitsvorschriften und -maßnahmen für das Arbeiten unter Spannung (AuS) eingehalten werden müssen. Das Coating erleichtert oder ermöglicht keine eigenständige Ausnahme von diesen Regeln; das gesamte Arbeitsverfahren muss so geplant und durchgeführt werden, als wäre die Lackschicht für den Personenschutz nicht vorhanden.

Hersteller und Markennamen

Viele der international agierenden Chemiekonzerne und Spezialisten bieten Schutzlacke an - namentlich u.a. auch für die sogenannten lackisolierten Drähte. Im deutschsprachigen Raum sind beispielsweise Lackwerke Peters mit ihrer Elpeguard-Reihe, Electrolube mit diversen Systemen (Acryl, Polyurethan, Silikon) und Henkel mit Produkten unter den Marken Loctite und Bergquist stark vertreten. Ebenso spielen ELANTAS (Bectron) und DOW (spezialisiert auf Hochleistungssilikone) eine wichtige Rolle. Die Auswahl des Herstellers hängt letztlich von der spezifischen chemischen Kompatibilität mit der Baugruppe und den erforderlichen industriellen Zulassungen ab.