Verkapselung von Silikonsensoren: Materialauswahl, Haftfestigkeits- und IP-Schutzprüfungen

Die Silikonverkapselung schützt Sensoren und deren elektronische Anschlüsse vor Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen, Stößen, Chemikalien und Temperaturwechseln. Sie kommt in Sensoren für die Automobilindustrie, Elektronik für den Außenbereich, industriellen Messumformern, medizinischen Geräten, Batteriesystemen, Haushaltsgeräten und IoT-Geräten zum Einsatz.

Das Abdecken eines Sensors mit Silikon macht ihn jedoch nicht automatisch wasserdicht. Das Vergussmaterial muss fest mit dem Gehäuse, der Leiterplatte, den Leitungen und den Einsätzen verbunden sein, ohne empfindliche Komponenten zu beschädigen oder die Messfunktion zu beeinträchtigen.

Für eine zuverlässige Sensorkapselung müssen Ingenieure folgende Aspekte aufeinander abstimmen:

• Funktionsprinzip des Sensors
• Härte und Elastizitätsmodul von Silikon
• Viskosität und Fließverhalten
• Härtungschemie
• Elektrische und thermische Eigenschaften
• Haftung auf den jeweiligen Untergründen
• Dicke der Verkapselung
• Kabel- und Steckverbinderausgänge
• Mechanische Zugentlastung
• Umwelteinflüsse
• IP-Prüfung der kompletten Baugruppe

Was versteht man unter der Verkapselung von Silikonsensoren?

Der Begriff “Verkapselung” kann verschiedene Fertigungsverfahren bezeichnen.

Silikonverguss

Eine flüssige Silikonmasse wird in ein Gehäuse dosiert und um die Leiterplatte und die Bauteile herum ausgehärtet.

Das Eintopfen eignet sich für:

• Unregelmäßige Zwischenräume ausfüllen
• Schutz elektronischer Baugruppen
• Vibrationen reduzieren
• Isolierung freiliegender Leiter
• Abdichtung innerer Hohlräume

Silikongel-Verkapselung

Ein sehr weiches Silikongel umhüllt empfindliche elektronische Bauteile und übt dabei nur minimale Belastung aus.

Gele eignen sich für:

• MEMS-Bauteile
• Feine Drahtverbindungen
• Leistungsmodule
• Druckempfindliche Elektronik
• Bauteile, die thermischer Ausdehnung ausgesetzt sind

Dow beschreibt beispielsweise DOWSIL EG-4175 als selbstgrundierendes, additionsvernetzendes Silikongel für Elektronikmodule, industrielle Sensoren und Aktoren. DOWSIL EG-4175 Silikongel

Silikon-Umspritzung

Flüssigsilikonkautschuk wird um einen Sensor, ein Gehäuse oder einen Einsatz spritzgegossen.

Durch das Umspritzen lassen sich folgende Produkte herstellen:

• Gesteuerte äußere Geometrie
• Integrierte Dichtungen
• Kabelzugentlastung
• Befestigungsmerkmale
• Eine sauber verarbeitete Oberfläche

Der Sensor und die Elektronik müssen dem Formdruck und der Aushärtungstemperatur standhalten.

Konforme Beschichtung

Auf die Oberfläche der Leiterplatte wird eine dünne Silikonschicht aufgetragen. Diese schützt vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen, bietet jedoch nicht denselben mechanischen Halt und füllt Hohlräume nicht vollständig aus wie das Vergießen.

Geformte Silikonmanschette oder -abdeckung

Über dem Sensor wird eine separate Silikonkomponente montiert. Dieser Ansatz ermöglicht einen Austausch und Nachbesserungen, erfordert jedoch eine zuverlässige mechanische Dichtungsfläche.

Beginnen Sie mit der Sensorfunktion

Bevor Sie sich für ein Material entscheiden, sollten Sie festlegen, was der Sensor erfassen soll.

Ein Sensor muss möglicherweise folgenden Einflüssen direkt ausgesetzt sein:

• Luftdruck
• Flüssigkeitsdruck
• Luftfeuchtigkeit
• Gas
• Licht
• Ton
• Magnetfelder
• Hitze
• Mechanische Beanspruchung

Eine Ummantelung des aktiven Bereichs kann die Empfindlichkeit verringern, die Reaktion verzögern oder den Betrieb vollständig verhindern.

Der Entwurf sollte die Baugruppe in folgende Teile unterteilen:

• Bereiche, die vollständig gekapselt sein müssen
• Bereiche, in denen eine dünne, kontrollierte Membran erforderlich ist
• Bereiche, in denen ein optisches oder akustisches Fenster erforderlich ist
• Bereiche, die offen bleiben müssen
• Bereiche, die belüftet werden müssen
• Elektrische und mechanische Schnittstellen

Drucksensoren

Ein Drucksensor benötigt unter Umständen einen Anschluss oder eine flexible Membran, die den Druck auf das Sensorelement überträgt.

Zu den wichtigen Auslegungsfaktoren zählen:

• Membrandicke
• Membrandurchmesser
• Silikonmodul
• Temperaturabhängige Steifigkeit
• Eingeschlossenes Luftvolumen
• Druckbereich
• Reaktionszeit
• Nullpunktdrift

Eine dicke oder harte Silikonschicht kann die Druckübertragung verändern und zu Kalibrierungsfehlern führen.

Temperatursensoren

Silikon kann einen Temperatursensor schützen, doch die Dicke der Verkapselung und die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen die Ansprechzeit.

Eine dickere Verkapselung kann den mechanischen Schutz verbessern, verlangsamt jedoch gleichzeitig die thermische Reaktion des Sensors.

Überprüfen:

• Zeit bis zum Erreichen der Zieltemperatur
• Fehler bei der Temperaturmessung
• Temperaturwechselbeanspruchung
• Selbsterwärmung
• Wärmeübertragung durch das Gehäuse

Optische Sensoren

Für optische Sensoren ist möglicherweise transparentes Silikon erforderlich.

Rezension:

• Optische Transmission bei der Betriebswellenlänge
• Brechungsindex
• Dunst
• Vergilbung
• Blasen
• Oberflächenbeschaffenheit
• Nebenprodukte der Aushärtung
• UV-Belastung
• Anhaftung an der Linse oder am Fenster

Ein Material, das optisch klar erscheint, weist möglicherweise keine ausreichende Durchlässigkeit im ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich auf.

Feuchtigkeits- und Gassensoren

Feuchtigkeits- und Gassensoren erfordern in der Regel eine kontrollierte Einwirkung der Umgebungsatmosphäre.

Mögliche Lösungen sind unter anderem:

• Selektive Verkapselung ausschließlich der Elektronik
• Das Sensorelement offen lassen
• Verwendung einer porösen Schutzmembran
• Einrichtung eines speziellen Entlüftungskanals
• Trennung der Messkammer von der Elektronikkammer

Die Umgebungsbarriere darf die Moleküle, die der Sensor nachweisen soll, nicht blockieren.

Akustik- und Ultraschallsensoren

Silikon verändert die akustische Impedanz und die Dämpfung. Durch die Verkapselung können sich die Resonanzfrequenz verschieben, die Amplitude verringern oder das Richtungsverhalten ändern.

Prüfen Sie die gesamte Baugruppe über den vorgesehenen Frequenzbereich.

Auswahl eines Silikon-Vergussmittels

Das Material sollte entsprechend den elektrischen, mechanischen, thermischen und umgebungsbedingten Anforderungen ausgewählt werden.

Viskosität und Fließverhalten

Materialien mit niedriger Viskosität fließen in schmale Spalten und um kleine Bauteile herum.

Zu den potenziellen Vorteilen zählen:

• Bessere Hohlraumfüllung
• Einfachere Dosierung
• Geringere Luftblasenbildung
• Verbesserte Abdeckung im Rahmen der einzelnen Komponenten

Zu den möglichen Nachteilen zählen:

• Leckage durch Spalten im Gehäuse
• Durchfluss in die Messanschlüsse
• Migration auf Kontakte
• Schwierigkeiten bei der Einhaltung einer gleichbleibenden Dicke

Materialien mit höherer Viskosität bleiben leichter an Ort und Stelle, können jedoch Luft um Bauteile herum einschließen oder enge Zwischenräume nicht ausfüllen.

Härte und Elastizitätsmodul

Ein Material mit niedrigem Elastizitätsmodul verringert die Belastung von Lötstellen, Keramikbauteilen, Drahtverbindungen und empfindlichen MEMS-Strukturen.

Ein härteres Elastomer bietet folgende Vorteile:

• Höhere Schlagfestigkeit
• Bessere Formbeständigkeit
• Verbesserte Abriebfestigkeit
• Mehr mechanische Unterstützung

Eine zu hohe Steifigkeit kann jedoch Bewegungen des Gehäuses und Spannungen aufgrund thermischer Ausdehnung auf den Sensor übertragen.

DOWSIL EE-3200 ist ein Beispiel für ein weiches, spannungsarmes Vergussmaterial, das dazu dient, kleine Spalten zu füllen und gleichzeitig die inneren Spannungen in elektronischen Baugruppen zu reduzieren. DOWSIL EE-3200 – spannungsarmes Silikon-Vergussmittel

Wählen Sie das Material nicht allein anhand der Shore-Härte aus. Prüfen Sie das gesamte Spannungs-Dehnungs-Verhalten und testen Sie den fertig eingekapselten Sensor.

Härtungschemie

Zu den gängigen Silikonsystemen gehören:

• Additionsvernetzendes Silikon
• Kondensationsvernetzendes Silikon
• Einkomponentiges, feuchtigkeitshärtendes Silikon
• Zweikomponenten-Silikon, das bei Raumtemperatur aushärtet
• Hitzebeschleunigtes Silikon
• Formbares LSR

Das Heilungssystem wirkt sich aus auf:

• Arbeitszeit
• Aushärtungsgeschwindigkeit
• Aushärtungstemperatur
• Anfall von Nebenprodukten
• Haftung
• Ausrüstungsanforderungen
• Risiko einer Hemmung der Heilung
• Produktionsdurchsatz

Additionsvernetzendes Silikon

Additionsvernetzungssysteme ermöglichen eine saubere Aushärtung und stabile Eigenschaften, doch bestimmte Verunreinigungen können die Aushärtung hemmen.

Zu den möglichen Kompatibilitätsproblemen zählen:

• Schwefelhaltige Materialien
• Einige Amine
• Bestimmte Klebstoffe
• Einige Flussmittelrückstände
• Verunreinigung durch zinngehärtetes Silikon
• Nicht zugelassene Handschuhe oder Reinigungsmittel

Führen Sie für jedes Produktionssubstrat und jede Prozesschemikalie einen Test auf Aushärtungsverträglichkeit durch.

Kondensationshärtendes Silikon

Kondensationshärtende Werkstoffe sind zwar für die Verarbeitung bei Raumtemperatur praktisch, können jedoch Härtungsnebenprodukte freisetzen. Dicke Abschnitte und eng begrenzte Geometrien können anders aushärten als dünne, freiliegende Schichten.

Bestätigen:

• Aushärtungstiefe
• Kompatibilität mit Nebenprodukten
• Korrosionsrisiko
• Entlüftung
• Endgültige elektrische Leistung

Wärmehärtung

Hitze kann zwar den Fertigungszyklus verkürzen, jedoch Batterien, Magnete, Kunststoffe, Klebstoffe, Kalibrierungselemente oder feuchtigkeitsempfindliche Bauteile beschädigen.

Der Sensor sollte für das gesamte Zeit-Temperatur-Profil qualifiziert sein.

Mischungsverhältnis und Entgasung

Zweikomponentenmaterialien erfordern eine genaue Dosierung und eine gründliche Vermischung.

Mischfehler können folgende Folgen haben:

• Unvollständige Heilung
• Weiche oder klebrige Stellen
• Eigenschaftsabweichung
• Schlechte Haftung
• Elektrische Verunreinigung
• Geringere Produktionsausbeute

Durch Vakuumentgasung oder kontrollierte statische Vermischung lässt sich eingeschlossene Luft reduzieren. Dabei sollte jedoch ein übermäßiges Vakuum vermieden werden, da dies dazu führen kann, dass flüchtige Bestandteile oder eingeschlossene Flüssigkeiten unerwartet expandieren.

Wärmeleitfähigkeit

Standard-Silikon ist nicht unbedingt ein effizienter Wärmeleiter. Gefüllte Formulierungen können die Wärmeübertragung verbessern, weisen jedoch möglicherweise folgende Eigenschaften auf:

• Höhere Viskosität
• Höhere Härte
• Erhöhte Dichte
• Verminderte Transparenz
• Weitere Absetzung des Füllstoffs
• Unterschiedliches Haftverhalten

Eine wärmeleitende Verkapselung ist sinnvoll, wenn die Sensorelektronik Wärme erzeugt oder eine thermische Kopplung an ein Gehäuse erfordert.

Es kann unerwünscht sein, wenn das Sensorelement thermisch isoliert werden muss.

Elektrische Eigenschaften

Bei elektronischen Sensoren ist Folgendes zu beachten:

• Durchschlagfestigkeit
• Spezifischer Volumenwiderstand
• Dielektrizitätskonstante
• Verlustfaktor
• Ionenverunreinigung
• Lichtbogenfestigkeit
• Verfolgung des Widerstands
• Brandschutzklasse

Die in den Datenblättern angegebenen typischen Werte werden unter bestimmten Proben- und Umgebungsbedingungen gemessen. Überprüfen Sie die erforderlichen elektrischen Eigenschaften nach der Aushärtung, der Einwirkung von Feuchtigkeit und der thermischen Alterung.

Ausgleich von Schrumpfung und Wärmeausdehnung

Selbst Materialien mit geringer Schrumpfung können Spannungen erzeugen, wenn sie zwischen Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verklebt werden.

Zu den gängigen Substratkombinationen gehören:

• Silikon
• Aluminium
• Edelstahl
• Kupfer
• Keramik
• Glas
• FR-4
• PBT
• PA
• PC
• ABS
• Epoxidharz

Stress kann sich an folgenden Stellen konzentrieren:

• Scharfe Ecken an Bauteilen
• Übergänge von dick zu dünn
• Kabelausgänge
• Kanten einfügen
• Gehäusewände
• Sensormembranen

Verwenden Sie ein Material mit niedrigem Elastizitätsmodul, eine glatte Geometrie und eine kontrollierte Verkapselungsdicke, um Spannungen zu reduzieren.

Anforderungen an die Haftung

Durch die Haftung kann verhindert werden, dass Wasser entlang der Trennfuge zwischen Silikon und Gehäuse eindringt.

Zu den erforderlichen Substraten können gehören:

• Metallgehäuse
• Kunststoffgehäuse
• Lötmaske für Leiterplatten
• Glas
• Keramik
• Drahtisolierung
• Steckereinsätze
• Optische Fenster

Eine Silikonformulierung kann auf einem Untergrund gut haften, auf einem anderen hingegen schlecht.

Oberflächenreinheit

Verunreinigungen gehören zu den häufigsten Ursachen für Haftversagen.

Zu den möglichen Verunreinigungen zählen:

• Formtrennmittel
• Bearbeitungsöl
• Fingerabdrücke
• Staub
• Weichmacher
• Flussmittelrückstände
• Silikonöl
• Reinigungsmittelrückstände
• Feuchtigkeit
• Oxidschichten

Der Reinigungsprozess in der Produktion sollte dokumentiert und überwacht werden.

Eine Oberfläche, die sauber aussieht, kann dennoch einen Film aufweisen, der die Haftung verhindert.

Vorbereitung der Oberfläche

Je nach Untergrund kann die Vorbereitung Folgendes umfassen:

• Reinigung mit Lösungsmitteln
• Reinigung mit wässrigen Lösungen
• Plasmabehandlung
• Corona-Behandlung
• Kontrollierter Abrieb
• Auftragen der Grundierung
• Vorheizen
• Trocknen

Die Oberflächenbehandlung hat eine begrenzte Lebensdauer. Die Bauteile sollten nach der Behandlung innerhalb des validierten Verarbeitungsfensters eingekapselt werden.

Grundierungen

Eine Grundierung kann die Haftung zwischen Silikon und einer schwer zu verklebenden Oberfläche aus Kunststoff, Metall oder Glas verbessern.

Der Prozess muss Folgendes steuern:

• Grundierungsart
• Auftragsdicke
• Umfang
• Trocknungszeit
• Verunreinigung
• Haltbarkeit
• Lagerung
• Aushärtungstemperatur

Überschüssige Grundierung kann in elektrische oder optische Bereiche gelangen, während eine unzureichende Deckkraft zu punktuellen Ablösungen führen kann.

Selbstklebendes Silikon

Einige Silikonformulierungen sind so konzipiert, dass sie ohne separate Grundierung haften.

Die Selbstklebung kann die Produktion vereinfachen, hängt jedoch nach wie vor von folgenden Faktoren ab:

• Substratchemie
• Oberflächenreinheit
• Heilungsbedingungen
• Anpressdruck
• Dicke der Verkapselung
• Alterungsumfeld

Die Adhäsion sollte auf Produktionssubstraten und nicht auf generischen Probenplatten überprüft werden.

Mechanische Verriegelung

Die Haftung sollte nicht immer die gesamte mechanische Belastung tragen.

Zu den mechanischen Haltevorrichtungen können gehören:

• Unterschnitte
• Durchgangsbohrungen
• Rillen
• Rippchen
• Flansche
• Perforierte Einsätze
• Eingekapselte Anker

Eine mechanische Verriegelung ist besonders an Kabelausgängen und -durchführungen sinnvoll, die Zugkräften oder Vibrationen ausgesetzt sind.

Verfahren zur Prüfung der Haftfestigkeit

Die Norm ASTM D429 umfasst mehrere Verfahren zur Messung der statischen Haftung zwischen Gummi und starren Untergründen, vor allem Metallen. Sie liefert Vergleichsdaten für die Produktentwicklung und die Produktionskontrolle, sofern geeignete Prüfkörper hergestellt werden können. ASTM D429-14(2023)

Definieren Sie für ein Sensorprojekt einen anwendungsspezifischen Testcoupon, der Folgendes reproduziert:

• Produktionssubstrat
• Oberflächenbeschaffenheit
• Reinigung
• Grundierung
• Silikondicke
• Aushärtungsprozess
• Alterungseinfluss

Erfassen Sie sowohl die Haftfestigkeit als auch die Versagensart.

Haftversagen

Das Silikon löst sich sauber vom Untergrund. Dies deutet in der Regel auf ein Problem mit der Grenzfläche oder der Oberflächenvorbereitung hin.

Kohäsionsversagen

Das Silikon reißt, während das Material am Untergrund haften bleibt. Dies deutet darauf hin, dass die Grenzfläche fester ist als das Silikon an dieser Stelle.

Substratversagen

Der Kunststoff, die Beschichtung oder ein anderes Substrat versagt vor der Silikonverbindung.

Der Versagensmodus kann nützlichere Entwicklungsinformationen liefern als die Spitzenkraft allein.

Kapselungsgeometrie

Kontrollierte Dicke

Vermeiden Sie große, unkontrollierte Dickeunterschiede. Dicke Bereiche können:

• Anders heilen
• Wärme speichern
• Anstieg der Materialkosten
• Thermische Spannung erzeugen
• Fangblasen

Sehr dünne Bereiche decken die Bauteile möglicherweise nicht vollständig ab oder bieten keinen ausreichenden dielektrischen Schutz.

Flüssige Übergänge

Verwenden Sie Rundungen und sanfte Dickeübergänge an folgenden Stellen:

• Leiterplattenkanten
• Beilagen
• Kabelausgänge
• Gehäuseecken
• Sensorfenster
• Befestigungsmerkmale

Scharfe Kanten können Luft einschließen und Spannungen bündeln.

Luftentweichungswege

Die Füllrichtung sollte die Luft in Richtung der kontrollierten Entlüftungsöffnungen leiten, anstatt sie unter den Bauteilen einzuschließen.

Bedenken Sie Folgendes:

• Ausgabestelle
• Ausrichtung der Wohnungen
• Füllgeschwindigkeit
• Vakuumunterstützung
• Abstand zwischen den Bauteilen
• Entlüftungsposition
• Überlaufbehälter

Überlauf- und Ausdehnungsraum

Schaffen Sie einen kontrollierten Freiraum für Materialvolumenänderungen und Wärmeausdehnung. Ein unkontrollierter Überlauf kann Steckverbinder, Sensorflächen oder Befestigungselemente verunreinigen.

Kabel- und Drahtdurchführungen

An den Kabelausgängen treten häufig Undichtigkeiten und Ermüdungserscheinungen auf.

Der Entwurf sollte Folgendes enthalten:

• Kontrollierter Kontakt zwischen Silikon und Ummantelung
• Mechanische Zugentlastung
• Gleichmäßiger Biegeradius
• Vorrichtung zur Drahtpositionierung
• Angemessene Kapselungslänge
• Kompatible Drahtisolierung
• Überprüfung der Zugkraft

Wasser kann entlang einzelner Leiterlitzen oder zwischen dem Kabelmantel und der Vergussmasse wandern. Daher muss der gesamte Kabelaufbau geprüft werden.

Anschluss- und Pin-Schnittstellen

Vermeiden Sie es, dass Silikon auf folgende Stellen gelangt:

• Elektrische Kontakte
• Passflächen
• Sicherungsfunktionen
• Prüfpunkte
• Kalibrierungsanschlüsse

Verwenden Sie Absperrvorrichtungen, Abdeckungen, herausnehmbare Stopfen oder spezielle Schutzvorrichtungen.

Adhäsionsversiegelung versus Kompressionsversiegelung

Eine verklebte Silikonverbindung kann ein Auslaufen verhindern, doch können Fertigungstoleranzen und Alterung zu lokalen Ablösungen führen.

Kombinieren Sie die Adhäsion nach Möglichkeit mit:

• Radiale Kompression
• Eine axiale Dichtungswulst
• Mechanische Verriegelung
• Ein Labyrinthweg
• Wohnungserhalt

Eine redundante Dichtungsstrategie ist robuster als die alleinige Verwendung einer flachen, verklebten Trennfuge.

Prüfung des IP-Schutzes

Die Norm IEC 60529 klassifiziert den Schutz, den elektrische Gehäuse vor dem Eindringen von Personen, festen Fremdkörpern und Wasser bieten. IEC 60529 – Konsolidierte Fassung

Ein Vergussmaterial erhält für sich genommen keine IP-Schutzart. Die Schutzart gilt für die gesamte geprüfte Baugruppe, einschließlich:

• Sensorgehäuse
• Silikonverkapselung
• Kabel
• Stecker
• Entlüftung
• Membran
• Objektiv
• Befestigungsschnittstelle
• Verbindungsstücke

Eine wasserdichte Silikonmasse kann einen nicht abgedichteten Stecker oder einen offenen Sensoranschluss nicht ausgleichen.

Anforderungen an geistiges Eigentum im Automobilbereich

Für Sensoren, die in Straßenfahrzeugen eingesetzt werden, legt die Norm ISO 20653 Schutzarten nach IP-Code sowie Bestätigungsprüfungen für Gehäuse von elektrischen Ausrüstungen in Kraftfahrzeugen fest. ISO 20653:2023

Klären Sie vor der Auslegung der Kapselung, welche Norm, welche Schutzart und welche Einbaubedingungen der Kunde wünscht.

Häufige Leckstrompfade bei Sensoren

Leckagepfad	Mögliche Ursache
Schnittstelle zwischen Silikon und Gehäuse	Verschmutzung, geringe Haftung oder thermische Belastung
Kabelausgang	Inkompatibilität der Ummantelung, Verschiebung oder unzureichende Verkapselungslänge
Anschlussschnittstelle	Unvollständiger Sitz oder beschädigte Dichtung
Um Metallstifte herum	Mangelhafte Benetzung oder thermische Ausdehnungsunterschiede
Trennlinie der Form	Blitz, Fehlanpassung oder unvollständige Füllung
Innere Leere	Mit der Außenwelt verbundene eingeschlossene Luft
Sensormembran	Riss, übermäßige Dicke oder schlechte Haftung
Optisches Fenster	Haftversagen oder Oberflächenverunreinigung
Entlüftungsweg	Falsche Membran oder unkontrolliertes Öffnen
Riss im Gehäuse	Druck oder thermische Belastung beim Umspritzen

Methoden zur Dichtheitsprüfung

Druckabfallprüfung

Der gekapselte Sensor steht unter Druck, ist isoliert und wird auf Druckverlust überwacht.

Definition:

• Prüfdruck
• Stabilisierungszeit
• Innenvolumen
• Testdauer
• Temperatur
• Maximal zulässiger Zerfall
• Leckage an der Befestigung

Prüfung des Vakuumabbaus

Es wird ein Unterdruck angelegt, und die Druckänderung wird nach der Isolierung überwacht.

Die Verformungsrichtung kann sich von der bei einer Überdruckprüfung unterscheiden; wählen Sie daher die Methode entsprechend den tatsächlichen Betriebsbedingungen aus.

Blasen-Eintauchprüfung

Eine unter Druck stehende Baugruppe wird untergetaucht und auf Blasen untersucht.

Diese Methode hilft bei der Lokalisierung von Leckagen, allerdings sollten dabei der Druck, die Eintauchtiefe und die Beobachtungsdauer genau kontrolliert werden.

Prüfung mit Spurengas

Mit Spurengasverfahren lassen sich kleinere Leckstellen aufspüren als durch Eintauchen in Wasser. Der zulässige Grenzwert muss auf die tatsächlichen Betriebsanforderungen abgestimmt werden.

Funktionsprüfung auf Wassereintritt

Führen Sie die vorgeschriebene Sprüh-, Strahl- oder Tauchprüfung durch, während der Sensor in seiner vorgesehenen Ausrichtung montiert ist.

Überprüfen Sie nach dem Test sowohl die innere Trockenheit als auch die Funktion des Sensors.

Umgebungsvorbereitung

Ein neu gekapselter Sensor kann einen IP-Test zwar bestehen, nach einer gewissen Einlaufzeit jedoch versagen.

Wiederholen Sie die Dichtheitsprüfungen nach entsprechender Umwelteinwirkung.

Temperaturänderung

Die Norm IEC 60068-2-14 legt Temperaturwechselprüfungen fest, mit denen die Auswirkungen bestimmter Umgebungs-Temperaturwechsel auf Bauteile und Geräte bewertet werden können. IEC 60068-2-14:2023

Durch Temperaturwechselbeanspruchung lassen sich folgende Mängel aufdecken:

• Haftungsverlust
• Risse im Gehäuse
• Leckage an der Drahtschnittstelle
• Kalibrierungsdrift
• Trennung der Verkapselungsmasse

Feuchte Hitze

Die Norm IEC 60068-2-78:2025 definiert die Dauerprüfung unter feuchter Wärme zur Untersuchung der Auswirkungen hoher Luftfeuchtigkeit bei konstanter Temperatur. IEC 60068-2-78:2025

Bei der Feuchtigkeitsprüfung sollten nicht nur Sichtprüfungen, sondern auch elektrische und funktionale Messungen durchgeführt werden.

Vibration

Die Norm IEC 60068-2-6 legt ein Prüfverfahren mit sinusförmigen Schwingungen fest, mit dem mechanische Schwachstellen und Leistungsminderungen bei Bauteilen und Geräten ermittelt werden können. IEC 60068-2-6:2007

Vibrationen können folgende Auswirkungen haben:

• Drahtermüdung
• Delaminierung
• Bewegung des Steckverbinders
• Risse um starre Einsätze herum
• Beschädigung der internen Lötstellen

Exposition gegenüber Chemikalien

Je nach Anwendungsfall muss die Baugruppe folgenden Einflüssen ausgesetzt werden:

• Öle
• Kraftstoffe
• Kühlmittel
• Reinigungsmittel
• Waschmittel
• Salzwasser
• Desinfektionsmittel
• Schweiß
• Prozesschemikalien

Messen Sie Veränderungen hinsichtlich Härte, Volumen, Haftung, Dichtheit und Sensorleistung.

Sensorkalibrierung nach der Verkapselung

Die Kapselung kann das Ansprechverhalten des Sensors verändern, auch wenn kein Leck vorliegt.

Überprüfen:

• Null-Offset
• Empfindlichkeit
• Linearität
• Hysterese
• Reaktionszeit
• Temperaturkompensation
• Lärm
• Drift

Die Kalibrierung sollte überprüft werden:

• Vor der Verkapselung
• Nach dem Aushärten
• Nach der Nachhärtung
• Nach dem Temperaturwechsel
• Nach Einwirkung von Feuchtigkeit
• Nach der Vibration
• Nach der IP-Prüfung

Risiken beim Überformungsverfahren

Das LSR-Umspritzen ermöglicht eine präzise Außengeometrie, setzt den Sensor jedoch folgenden Einflüssen aus:

• Einspritzdruck
• Formspannen
• Erhöhte Temperatur
• Vakuum
• Positionierung des Einsatzes
• Silikonfluss
• Härtungschemie

Empfindliche Sensoren erfordern möglicherweise:

• Verarbeitung bei niedrigerem Druck
• Träger für Schutzeinlagen
• Reduzierte Formtemperatur
• Gesteuerte Hohlraumstütze
• Stufenweise Einkapselung
• Verguss statt Spritzguss

Einfügeposition

Sensoren, Leiterplatten und Kabel müssen während des Befüllens an ihrem Platz bleiben.

Verwendung:

• Mechanische Nester
• Datum-Funktionen
• Abnehmbare Stützen
• Kabelkanäle
• Positionierungsstifte
• Automatisierte Bildverifizierung

Eine fehlerhafte Positionierung der Einlegeteile kann zu einer zu dünnen Verkapselung, verstopften Anschlüssen oder freiliegenden Leitern führen.

Prozesssteuerung in der Fertigung

Bei einem kontrollierten Verkapselungsprozess sollten folgende Punkte überwacht werden:

• Materialcharge
• Lagerbedingungen
• Mischungsverhältnis
• Mischqualität
• Dosiergewicht
• Vakuumentgasung
• Füllzeit
• Arbeitszeit
• Form- oder Gehäusetemperatur
• Aushärtungszeit
• Nachhärtung
• Auftragen der Grundierung
• Dauer der Oberflächenbehandlung
• Sauberkeit der Teile

Hohlraumprüfung

Hohlräume können den dielektrischen Schutz beeinträchtigen, Feuchtigkeitswege bilden oder Spannungen konzentrieren.

Zu den Prüfverfahren gehören:

• Sichtprüfung bei transparenten Materialien
• Röntgen
• Industrielle Computertomographie
• Ultraschall
• Schnitt
• Gewichtsvergleich
• Elektrische Prüfungen
• Dichtheitsprüfung

Nicht jede interne Blase führt zu einem Ausfall, doch die Akzeptanzgrenzen sollten sich nach Lage, Größe und Funktion richten.

Produktionskontrolle

Zu den möglichen Steuerelementen gehören:

• Gewicht des Vergussmaterials
• Füllhöhe
• Flächenabdeckung
• Drahtposition
• Shore-Härte an Referenzproben
• Überprüfung der Heilung
• Haftungsproben
• Druckabfallprüfung
• Prüfung der elektrischen Isolierung
• Funktionsprüfung des Sensors
• Optische Prüfung

Bei der Großserienfertigung lassen sich durch automatisierte Dichtheits- und Funktionsprüfungen Prozessabweichungen früher erkennen als durch zerstörende Prüfverfahren.

Häufige Fehler bei der Kapselung

Misserfolg	Mögliche Ursache	Korrekturrichtung
Silikon bleibt klebrig	Mischfehler oder Aushärtungshemmung	Überprüfung der Materialhandhabung und Kontamination
Blasen um Bauteile herum	Mangelhafte Entgasung oder Luftblasen bildende Geometrie	Füllrichtung und Vakuumverfahren ändern
Ablösung vom Gehäuse	Verunreinigung oder ungeeignete Oberfläche	Reinigung, Behandlung oder Grundierung verbessern
Änderungen der Sensorwerte	Das Verkapselungsmittel ist zu zähflüssig oder zu dickflüssig	Modul verringern oder Geometrie der aktiven Fläche anpassen
Wasser fließt durch das Kabel	Schlechte Haftung der Ummantelung oder Bewegung des Kabels	Mechanische Abdichtung und Zugentlastung hinzufügen
Risse im Gehäuse nach dem Ein- und Ausschalten	Wärmeausdehnungsspannung	Verwenden Sie einen niedrigeren Modul und sanftere Übergänge
Der Stecker ist verschmutzt	Unkontrollierter Silikonfluss	Verbesserung der Absperr-, Maskierungs- und Dosiersteuerung
Hohlräume unter der Leiterplatte	Hohe Viskosität oder schnelles Befüllen	Die Viskosität verringern oder eine vakuumunterstützte Abfüllung verwenden
Die optische Leistung nimmt ab	Trübung, Bläschen oder Gelbfärbung	Auswahl eines Materials in optischer Qualität und Steuerung des Aushärtungsprozesses
Die Dichtung hält zunächst stand, versagt jedoch nach einer gewissen Zeit	Haftungsverlust oder Druckverformungsrest	Umgebungsvorbereitung hinzufügen und Neugestaltung
Einfügen von Bewegungen während des Formvorgangs	Unzureichende Befestigung	Verbesserung der Einlegetiefe und der Kavitätenabstützung
Lokale Überhitzung	Geringe Wärmeleitfähigkeit oder übermäßige Dicke	Überprüfung des Wärmepfads und der Auswahl des Vergussmaterials

Validierungsplan

1. Sensor-Funktion definieren

Ermitteln Sie Bereiche, die offen, flexibel, transparent oder belüftet bleiben müssen.

2. Auswahl der Kandidatenunterlagen

Vergleiche:

• Aushärtungssystem
• Viskosität
• Härte
• Modul
• Haftung
• Wärmeleitfähigkeit
• Dielektrische Eigenschaften
• Temperaturbereich
• Verträglichkeit mit Flüssigkeiten
• Gesetzliche Anforderungen

3. Kompatibilitätstests durchführen

Prüfung der Aushärtung und Haftung auf allen Produktionssubstraten, Beschichtungen, Drähten, Klebstoffen und Reinigungsrückständen.

4. Prototyp-Baugruppen erstellen

Verwenden Sie ein produktionsrepräsentatives Beispiel:

• Gehäuse
• PCBs
• Kabel
• Steckverbinder
• Oberflächenbehandlungen
• Dosier- oder Formverfahren

5. Abschluss der Erstprüfung

Maßnahme:

• Haftung
• Leckage
• Elektrische Isolierung
• Sensorkalibrierung
• Zugfestigkeit
• Bildqualität

6. Umgebungsbedingungen

Führen Sie die erforderlichen Temperatur-, Feuchtigkeits-, Vibrations- und chemischen Prüfungen durch.

7. IP- und Funktionstests wiederholen

Überprüfen Sie nach jeder kritischen Belichtung auf Undichtigkeiten, Haftung und die Kalibrierung der Sensoren.

8. Pilotproduktion

Verfolgen Sie Abweichungen nach:

• Materialcharge
• Formhohlraum
• Dosierkopf
• Betreiber
• Baugrundstück
• Sensorcharge

Checkliste für Angebotsanfragen

Bitte geben Sie bei der Anforderung eines Angebots für eine kundenspezifische Silikon-Sensorkapselung folgende Informationen an:

• Sensortyp und Funktionsweise
• 2D-Zeichnung und 3D-Modell
• Bereiche, die frei bleiben müssen
• Gehäuse- und Substratmaterialien
• Leiterplattenbeschichtung und Lötmaske
• Draht- und Kabelwerkstoffe
• Betriebstemperaturbereich
• Ziel-IP-Code
• Anforderungen hinsichtlich Druck oder Eintauchen
• Exposition gegenüber Chemikalien
• Erforderliche Härte oder Elastizitätsmodul
• Anforderung an die Wärmeleitfähigkeit
• Anforderung an die optische Übertragung
• Anforderungen an das Dielektrikum
• Anforderung an die Haftung
• Erforderliche Zugkraft
• Grenzwert für die Aushärtungstemperatur
• Maximaler Einspritzdruck
• Kalibrierungstoleranz
• Anforderung an die Entflammbarkeit
• Gesetzliche Anforderungen
• Jährliches Produktionsvolumen
• Anforderungen an die Kontrolle und Rückverfolgbarkeit

Falls noch keine Verkapselungsmethode ausgewählt wurde, geben Sie bitte die vollständigen Anforderungen an die Sensorbaugruppe und die Umgebungsbedingungen an. Der Lieferant kann dann die Optionen „Verguss“, „Gel-Verkapselung“, „Umspritzen“ und „separate Spritzgussabdeckung“ miteinander vergleichen.

Häufig gestellte Fragen

Macht eine Silikonverkapselung einen Sensor wasserdicht?

Nicht automatisch. Die Wasserdichtigkeit hängt von der Haftung, der Geometrie des Gehäuses, den Kabelausgängen, den Steckverbindern, den Entlüftungsöffnungen und dem gesamten Montageprozess ab.

Ist weicheres Silikon für Sensoren immer besser?

Weiches Silikon verringert die mechanische Belastung, bietet jedoch möglicherweise eine geringere Abriebfestigkeit oder Formstabilität. Der richtige Elastizitätsmodul hängt vom Sensor und der Umgebung ab.

Kann Silikon eine Drucksensormembran bedecken?

Ja, aber die Dicke und der Elastizitätsmodul der Membran können die Empfindlichkeit, die Reaktionszeit und die Kalibrierung beeinflussen. Prototypentests sind unerlässlich.

Warum löst sich Silikon von Kunststoff?

Mögliche Ursachen sind unter anderem die Ablösung der Form, eine geringe Oberflächenenergie, Verunreinigungen, eine ungeeignete Grundierung, eine unzureichende Aushärtung oder Spannungen aufgrund thermischer Ausdehnung.

Ist eine Grundierung immer erforderlich?

Nein. Einige selbstklebende Silikontypen haften ohne Grundierung, während andere Substratkombinationen eine Plasmabehandlung oder Grundierung erfordern. Produktionssubstrate müssen getestet werden.

Was ist der Unterschied zwischen Verguss und Umspritzen?

Beim Vergießen wird ein Gehäuse mit flüssigem Material befüllt, in der Regel bei relativ niedrigem Druck. Beim Umspritzen wird in einer Form eine äußere Silikonhülle um den Sensor herum geformt.

Gilt die Schutzart IP67 auch für das Silikonmaterial?

Nein. Die IP-Schutzart gilt für die gesamte geprüfte Sensoreinheit, einschließlich Gehäuse, Kabel, Steckverbinder und Öffnungen.

Wann sollten IP-Tests durchgeführt werden?

Testen Sie die ersten Baugruppen und wiederholen Sie den Test nach entsprechenden Temperaturwechsel-, Feuchtigkeits-, Vibrations-, Chemikalien- und mechanischen Belastungsprüfungen.

Wie lassen sich Blasen vermeiden?

Achten Sie auf korrektes Mischen, Vakuumentgasung, eine kontrollierte Füllgeschwindigkeit, eine geeignete Ausrichtung des Gehäuses und entsprechend ausgelegte Entlüftungswege.

Kann ein gekapselter Sensor repariert werden?

Weichgel und einige Vergussmaterialien lassen sich möglicherweise entfernen, während fest verbundene Überformungen in der Regel nur schwer nachbearbeitet werden können. Legen Sie die Wartbarkeit fest, bevor Sie sich für ein Vergussverfahren entscheiden.

Fazit

Eine erfolgreiche Verkapselung von Silikonsensoren erfordert ein Gleichgewicht zwischen Umweltschutz und Sensorfunktion. Das Material muss die Elektronik umfließen, sich mit verschiedenen Substraten verbinden und flexibel genug bleiben, um thermische und mechanische Bewegungen auszugleichen.

Die IP-Leistung sollte vor und nach der Umgebungskonditionierung an der kompletten Sensorbaugruppe überprüft werden. Ein frühzeitiges Material-Screening, Haftungsprüfungen und funktionsfähige Prototypen können Delamination, Undichtigkeiten und Kalibrierungsabweichungen während der Produktion verhindern.

Senden Sie uns Ihre Sensorzeichnung, die Substratmaterialien, die Betriebsumgebung, die angestrebte IP-Schutzklasse sowie die Kalibrierungsanforderungen zu, damit wir eine DFM-Prüfung und eine Materialauswahl für die Silikonverkapselung durchführen können.