Vergussmasse für Elektronik auswählen: Wärmeleitung, Bauteilbelastung und Prozess

Welche Vergussmasse für Elektronik passt, entscheiden vier Gruppen von Anforderungen: der Wärmeweg, die mechanische Belastung der Bauteile, Isolation und Umgebung sowie das Prozessfenster in der Fertigung. Wer diese vier Punkte im Lastenheft konkret beschreibt, kann die Vergussmasse für Elektronik gezielt auswählen: Das Werkstoffsystem ergibt sich fast von selbst, die letzte Unsicherheit klärt eine Bemusterung.

Dieser Leitfaden richtet sich an Entwicklung und technischen Einkauf in der Serienfertigung: Netzteile, LED-Treiber, Motorsteuerungen, Sensoren, Leistungselektronik. Sie finden darin eine Eingabeliste für das Lastenheft, ein Rechenbeispiel zum Wärmeweg, eine Kriterienmatrix für Silikon, Epoxid und Polyurethan und einen Prüfplan für die Muster. Datenblattwerte stehen immer mit ihrer Quelle da, denn ohne Prüfbedingung ist eine Zahl beim Elektronikverguss wenig wert.

Schritt 1: Einsatzbedingungen ins Lastenheft schreiben

Die häufigste Ursache für einen gescheiterten Verguss ist kein falsches Material, sondern eine unvollständige Anforderung. „Muss wasserdicht sein und Wärme ableiten“ reicht nicht, um zwischen zwei Dutzend Typen zu entscheiden. Bevor Sie Datenblätter vergleichen, gehören diese Angaben auf ein Blatt:

Zwei Zeilen werden besonders oft vergessen. Erstens die Reparatur: Ein hartes Epoxidharz erschwert die meisten Fehleranalysen erheblich, ein weiches Silikon lässt sie in der Regel zu. Zweitens das Volumen: 5 ml unter einem Sensor und 800 ml in einem Netzteilgehäuse sind verfahrenstechnisch zwei verschiedene Aufgaben, auch wenn das Datenblatt dasselbe ist.

Schritt 2: Wärmeweg bewerten – warum der λ-Wert allein nicht reicht

Eine wärmeleitende Vergussmasse soll Wärme vom Bauteil zum Gehäuse oder Kühlkörper bringen. Wie gut das gelingt, beschreibt nicht die Wärmeleitfähigkeit λ allein, sondern der Wärmewiderstand der Vergussschicht:

R = d / (λ · A), mit Schichtdicke d, Wärmeleitfähigkeit λ und durchströmter Fläche A.

Rechenbeispiel: Wärmewiderstand der Vergussschicht

Ein vereinfachtes Rechenbeispiel zeigt, was das praktisch bedeutet. Annahmen: 3 mm Vergussschicht zwischen Leiterplatte und Aluminiumgehäuse, 10 cm² Fläche, 5 W Wärmestrom, eindimensionale Wärmeleitung ohne Kontaktwiderstände. Der Wert 0,2 W/m·K steht stellvertretend für ein ungefülltes Harz und ist eine Annahme, kein Messwert.

Bild: Der Wärmewiderstand der Vergussschicht wächst mit der Dicke d und sinkt mit Wärmeleitfähigkeit λ und Fläche A.

Der große Sprung liegt zwischen ungefüllt und gefüllt. Von 1,2 auf 2,5 W/m·K halbiert sich die Temperaturdifferenz zwar noch einmal, in absoluten Zahlen bringt das aber nur 6,5 K. Dieselbe Verbesserung erreichen Sie auch, wenn Sie die Schicht über dem Hotspot von 3 auf etwa 1,5 mm reduzieren. Die Geometrie ist deshalb oft der billigere Hebel als der nächsthöhere λ-Wert.

Zielkonflikt: Füllgrad, Viskosität und Spaltbreite

Dazu kommt ein Zielkonflikt, den Datenblätter selten nebeneinander zeigen: Mehr Füllstoff bedeutet mehr Wärmeleitfähigkeit, aber auch höhere Viskosität und mehr Neigung zur Sedimentation im Gebinde. Die Härte hängt dagegen stärker vom Basispolymer und der Vernetzung ab als vom Füllgrad. Die Datenblätter von Ziitek zeigen den Zusammenhang von Füllgrad, Viskosität und Härte, am deutlichsten bei der hochgefüllten Silikon-Vergussmasse TIS680-35AB: hohe Viskosität, trotzdem eine weiche Masse.

Quelle: Ziitek-Datenblätter der jeweiligen Typen.

Für enge Spalte unter Bauteilen oder dicht bestückte Leiterplatten ist eine dickflüssige Hochleistungsmasse oft die schlechtere Wahl – sie umfließt die Bauteile nicht vollständig, und jeder eingeschlossene Luftspalt wirkt im Wärmeweg wie eine Isolierschicht. Die Frage lautet also nicht „Wie hoch ist λ?“, sondern „Welcher λ-Wert ist bei meiner Spaltbreite und meinem Dosierverfahren noch sauber verarbeitbar?“ Für enge Spalte ist eine dünnflüssigere Silikon-Vergussmasse TIG680-20AB mit je 7.000 mPa·s oft leichter zu verarbeiten als ein hochgefüllter Typ.

Schritt 3: Bauteilbelastung begrenzen – Härte, Tg und Wärmeausdehnung abwägen

Jede Vergussmasse schrumpft beim Aushärten und dehnt sich im Betrieb anders als Leiterplatte, Lötstellen und Bauteilgehäuse. Wie stark daraus mechanische Spannung entsteht, hängt vor allem von der Steifigkeit ab, praktisch also von der Härte. Die Skalen sind dabei nicht vergleichbar: Shore OO misst sehr weiche Gele und Silikone, Shore A elastomere Massen, Shore D harte Harze. 65 Shore OO und 85 Shore D liegen Welten auseinander.

Bei harten Systemen lohnt ein zweiter Blick auf die Glasübergangstemperatur Tg. Oberhalb von Tg wird ein Epoxidharz weicher und dehnt sich deutlich stärker aus. Für TIE280-12AB nennt das Datenblatt eine Tg von 92 °C bei einem Einsatzbereich von −40 bis 160 °C. Läuft die Baugruppe regelmäßig über die Tg, wechselt das Material bei jedem Zyklus seinen Spannungszustand – ein Grund, Temperaturwechsel später gezielt zu prüfen.

Empfindliche Bauteile schützen

Besonders empfindlich sind Elektrolytkondensatoren: Ihr Sicherheitsventil muss im Fehlerfall öffnen können, ein vollständig umschlossener Elko verliert diese Druckentlastung. Glasdioden, Ferritkerne und große Vielschicht-Keramikkondensatoren reagieren auf Schrumpfspannung mit Rissen. Hier helfen weiche Systeme, Aussparungen, ein gezielter Teilverguss oder – wenn nur der Wärmeweg zählt – ein dosierbares Wärmeleitgel statt Vollverguss.

Werkstoffsysteme im Überblick

Die folgende Matrix fasst die Tendenzen der drei Werkstoffsysteme zusammen. Sie ersetzt keinen Typvergleich – innerhalb jedes Systems gibt es weiche und harte, gefüllte und ungefüllte Varianten:

Wenn Bauteilschonung und Temperaturwechsel dominieren, führt der Weg meist zu einer elastischen Vergussmasse für Elektronik auf Silikonbasis, etwa aus den Silikon-Vergussmassen von Ziitek. Stehen mechanischer Schutz, Haftung und Chemikalienbeständigkeit im Vordergrund, sind Epoxidharz-Vergussmassen für mechanisch belastete Module die naheliegende Richtung.

Sonderfälle: Lichtbeständigkeit und Schutzlack

Zwei Sonderfälle gehören noch in diese Abwägung. Für transparente LED-Abdeckungen und optische Sensoren zählt Lichtbeständigkeit: Viele Polyurethane und Epoxide vergilben unter UV, klare Silikone bleiben meist farbstabil. Und wenn nur Feuchte- und Kriechstromschutz gefragt ist, weder Wärmeweg noch mechanische Abstützung, reicht oft ein Schutzlack (Conformal Coating) – leichter, reparierbar und ohne Schrumpfspannung.

Schritt 4: Isolation und Umgebung prüfen – ohne IP-Versprechen

Ein Verguss verbessert die elektrische Isolation, weil er Luftstrecken durch einen festen Isolierstoff ersetzt und Feuchte von der Leiterplatte fernhält. Die Kennwerte im Datenblatt beschreiben dabei den Werkstoff, nicht Ihre Baugruppe. Die Durchschlagfestigkeit wird an Probekörpern definierter Dicke nach Normen wie IEC 60243-1 oder ASTM D149 bestimmt. TIS680-12AB ist mit mindestens 6.000 V/mm angegeben, TIE280-15AB und die Epoxid-Vergussmasse TIE280-25AB mit mindestens 10.000 V/mm. Für die Freigabe zählt trotzdem die Prüfung am vergossenen Muster – Lunker, Ablösungen an Bauteilkanten und Feuchte im Füllstoff senken die Festigkeit der realen Schicht.

Hochvolt: Kriechstromfestigkeit und Teilentladung

Für Hochvolt-Anwendungen in E-Mobility, Photovoltaik oder Industrieantrieben reichen Durchschlagwerte allein nicht aus. Zwei weitere Größen gehören dann ins Lastenheft: die Kriechstromfestigkeit, gemessen als CTI nach IEC 60112, und das Teilentladungsverhalten. Teilentladungen zünden bevorzugt in Gaseinschlüssen – ein Lunker im Hochfeldbereich kann eine Baugruppe langsam zerstören, obwohl der Werkstoff selbst mehr als genug Festigkeit hätte. Zusätzlich bestimmt die Dielektrizitätszahl mit, wie sich das elektrische Feld auf Verguss und verbliebene Luftspalte verteilt – für TIS680-12AB und die TIE280-Typen nennen die Datenblätter 4,0 bis 4,2 bei 1 MHz, für die höher gefüllten Silikone TIG680-20AB und TIS680-35AB 5,0 bis 7,0. Weitere Anwendungen im Hochvoltumfeld beschreibt die Seite zum Wärmemanagement für E-Mobility und Batteriesysteme.

Feuchteschutz und Schutzart

Beim Thema Feuchte gilt die gleiche Trennung. Eine niedrige Wasseraufnahme (für TIE280-12AB nennt das Datenblatt weniger als 0,1 % nach 24 Stunden Wasserlagerung) spricht für einen guten Feuchteschutz der Leiterplatte. Eine Schutzart wie IP67 oder IP68 ist aber nach IEC 60529 eine Eigenschaft des Gehäuses beziehungsweise des fertigen Geräts. Sie muss am Gerät geprüft werden und lässt sich aus Werkstoffdaten nicht ableiten.

Brandverhalten nach UL 94

Ähnlich verhält es sich beim Brandverhalten: Die TIE280-Typen sind im Datenblatt mit UL 94 V-0 angegeben. Eine Einstufung nach UL 94 gilt für einen bestimmten Werkstoff in einer bestimmten Dicke. Wenn Ihre Produktzulassung darauf aufbaut, lassen Sie sich die UL-Listung des konkreten Typs nennen und prüfen Sie die gelistete Mindestdicke.

Schritt 5: Prozessfenster festlegen – Mischen, Entgasen, Aushärten

Zweikomponentige Vergussmassen (2K) werden aus Harz (A) und Härter (B) gemischt. Ob das Mischungsverhältnis nach Gewicht oder nach Volumen angegeben ist, entscheidet über die Einstellung der Dosieranlage – bei Komponenten unterschiedlicher Dichte ist ein Verwechseln ein direkter Fehler. Die beiden hier genannten Beispieltypen werden im Verhältnis 1:1 nach Gewicht gemischt:

Quellen: TIS680-12AB laut Ziitek-Anwendungsunterlage und Datenblattangaben zur TIS680-12AB, TIE280-12AB laut Datenblatt der Epoxid-Vergussmasse TIE280-12AB.

Dichte und Bauteilgewicht

Die Dichte wirkt unscheinbar, ist aber ein Auswahlkriterium für sich: Bei 300 ml Vergussvolumen macht der Unterschied zwischen 2,4 und 1,6 g/cm³ rund 240 g aus – relevant für Drohnen, Handgeräte oder alles, was vibriert.

Verarbeitungszeit, Aushärtung und Entgasen

Aus den Zeiten folgen die Fragen für Ihre Linie: Reicht die Verarbeitungszeit für Dosierung, Vakuum und Nachfüllen? Steht ein Ofen zur Verfügung, oder muss bei Raumtemperatur gehärtet werden? Wie lange darf ein Teil bis zur nächsten Station liegen? Bei Epoxid kommt die Wärmeentwicklung hinzu: Große Volumen erwärmen sich beim Härten selbst, das beschleunigt die Reaktion und kann Bauteile thermisch belasten. Bei gefüllten Massen sollten die Komponenten vor der Verarbeitung aufgerührt werden, weil Füllstoff im Gebinde absinkt. Und wo Luft unter Bauteilen eingeschlossen werden kann, gehört Vakuumverguss oder zumindest Entgasen der Mischung zum Standard.

Haftung an Gehäuse und Bauteilen

Haftung ist der letzte Prozesspunkt. Silikone haften oft schwächer an Gehäusen als Epoxide; wenn die Grenzfläche dicht sein muss, gehören Oberflächenvorbehandlung oder Primer und eine Haftungsprüfung ins Musterprogramm.

Schritt 6: Muster validieren, bevor die Serie freigegeben wird

Datenblattwerte sind der Startpunkt, die Freigabe entsteht am Muster. Ein Prüfplan für die Bemusterung muss nicht aufwendig sein, sollte aber die Risiken aus den Schritten 1 bis 5 gezielt abdecken:

Bild: Die sechs Schritte der Werkstoffauswahl – die Musterprüfung entscheidet über die Serienfreigabe.

Anwendungsbeispiel: Drohnen-Fahrtregler

Ein Anwendungsbeispiel zeigt, warum die Messung am realen Aufbau unverzichtbar ist. In einem Drohnen-Fahrtregler (ESC) führt der Wärmeweg von den MOSFETs über die Leiterplatte durch die Silikon-Vergussmasse TIS680-12AB in das Aluminiumgehäuse. Nach den Schritten oben lässt sich diese Wahl so begründen: ein weiches System wegen Vibration und Temperaturwechsel, eine gefüllte Masse für den Wärmeweg. Die Durchschlagfestigkeit von mindestens 6.000 V/mm laut Datenblatt ist am vergossenen Muster zu bestätigen. Welche Temperaturabsenkung das im konkreten Regler bringt, hängt von Last, Gehäuse und Schichtdicke ab. Deshalb nennen wir hier bewusst keinen pauschalen Wert – genau diese Zahl liefert die Temperaturmessung im eigenen Muster. Wie ein weiches Silikon-Vergusssystem in einer vibrationsbelasteten Steuerung eingesetzt wird, zeigt die Fallstudie TIG680-Verguss in der Steuerung humanoider Roboter.

Abbruchkriterien vorab festlegen

Legen Sie für jede Prüfung vorab ein Abbruchkriterium fest, etwa maximal zulässige Hotspot-Temperatur, minimaler Isolationswiderstand nach Feuchtelagerung oder keine Ablösung im Querschliff. Ohne Kriterium endet eine Bemusterung schnell in einer Diskussion über Messwerte statt in einer Entscheidung.

Vergussmasse für Elektronik auswählen: Diese Angaben braucht ein Materialvorschlag

Für einen belastbaren Vorschlag genügen vier Angaben aus Ihrem Lastenheft: die Verlustleistung der kritischen Bauteile, das Vergussvolumen samt engster Spaltbreite, der Temperaturbereich mit Hotspot und Ihre Anforderungen an Wartung oder Reparatur. Mit diesen Daten schlägt das Anwendungsteam von Ziitek passende Typen vor und stellt Muster für Ihren Prüfplan bereit – Anfrage mit Ihren Einsatzbedingungen senden.