Autoklavierbarer Schutz für Elektronik

Umspritzte Elektronik
Umspritzte Elektronik

Elektronische Elemente zu umspritzen und sie damit in einem Gehäuse ohne Fügestellen gut vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist ein etabliertes Verfahren. Nun kommt eine Eigenschaft hinzu: Die Hüllen sind auch für die Heißdampf-Sterilisation geeignet.

Der Schutz der Elektronik hat in der Medizintechnik einen besonders hohen Stellenwert. Wenn elektronische Medizingeräte körpernah oder sogar im Körper eingesetzt werden, kommen sie mit Körperflüssigkeiten der Patienten in Kontakt. Um diese Geräte wiederzuverwenden, werden sie vor dem nächsten Einsatz aufbereitet. Alle potenziell schädlichen Organismen und Stoffe müssen entfernt oder zumindest in einen unschädlichen Zustand gebracht werden.

Die Reinigung kann zum Beispiel durch einen Waschgang in einer alkalischen Lösung und anschließende Sterilisierung in einem Autoklaven erfolgen. Allerdings stellt dieser Prozess hohe Anforderungen an den Elektronikschutz. Alles muss gegenüber Flüssigkeiten und Dampf abgedichtet und chemisch und thermisch beständig ausgeführt sein. Ablagerungen oder Infiltrierungen – seien das Körperflüssigkeiten oder die im Verlauf der Reinigung verwendeten Medien – können zu Kurzschlüssen und dem Komplettausfall der Elektronik führen. Vor allem die Schnittstellen zwischen verschiedenen, zum Teil biokompatiblen Materialien sind dafür anfällig, wenn die Werkstoffe unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben oder sich in ihrer chemischen Beständigkeit unterscheiden.

Um die Elektronik über die geplante Lebensdauer des Produktes zu schützen, müssen daher die eingesetzten Verfahren extrem zuverlässig sein. Auch der Fertigungsprozess muss mit hoher und gleichbleibender Qualität ablaufen, um den Elektronikschutz dauerhaft sicherzustellen und Ausfälle im Betrieb zu vermeiden.

Ein solches zuverlässig reproduzierbares Verfahren zum Schutz elektronischer Baugruppen ist die Direktumspritzung. Sie ergänzt das Vergießen, verschäumen, Lackieren oder Beschichten und wird von der Turck duotec seit 1997 eingesetzt. Bei der Direktumspritzung umschließt das Material die Elektronik mit einer homogenen Hülle, es werden keine Gehäusehälften verbunden oder ein Gehäuse mit Vergussmasse gefüllt. Durch geschickte Materialpaarung können Kabelmantel oder Kabellitzen beim Umspritzen mit dem Gehäuse verschmelzen. So bilden die Materialien eine kohäsive Fügestelle, und es wird ein Schutzgrad von IP68 erreicht.

Das lässt sich nachweisen, indem die Baugruppe einer künstlichen Alterung unterzogen wird. Anschließend wird sie 7 Tage unter Wasser in einem Meter Tiefe gelagert und getestet. Die Baugruppe muss danach noch funktionstüchtig sein und der Leckstrom durch das Gehäuse muss unterhalb eines geringen Grenzwertes bleiben.

Direktumspritzung ist jetzt auch autoklavierbar

Schema einer Umspritzung
Die autoklavierbare Hülle besteht aus zwei Schichten, die nacheinander durch Spritzguss um die Elektronik herum aufgetragen werden.

Die autoklavierbare Direktumspritzung, die sich speziell für Elekotronik in Medizinprodukten anbietet, ist neu im Portfolio bei Turck duotec. Das dabei eingesetzte Material ist biokompatibel, thermisch stabil bei den gängigen Autoklavtemperaturen zwischen 134°C und 137°C, gegenüber Hydrolyse stabil, und es hat einen guten Barriereeffekt.

Darüber hinaus ist es chemisch beständig gegenüber gängigen Reinigungsmitteln und -verfahren. In Labortests wurden entsprechend ummantelte elektronische Baugruppen über 1000 Mal autoklaviert, ohne dass ihre Funktion beeinträchtigt gewesen wäre. Für Anwendungen in der Medizintechnik ist die autoklavierbare Direktumspritzung aus mehreren Gründen interessant. Es können auch sehr kleine, miniaturisierte Baugruppen geschützt werden, denn die Umspritzung lässt sich schon bei Wandstärken von einigen Zehntel Millimetern realisieren. Da die Formgebung auf die Baugruppe abgestimmt ist, kann deren Gewicht minimiert werden. Darüber hinaus kann das Material unter kontrollierten Bedingungen wie zum Beispiel im Reinraum verarbeitet werden.

Material und Formgebung sind auf die Elektronik abgestimmt

Ein 3D-Kunststoffgehäuse wird durch Kunststoffspritzguss direkt um eine elektronische Baugruppe gefertigt. Das Material und die Formgebung werden dabei auf die Elektronik abgestimmt, so dass sich die Lösung auf die Anwendung hin optimieren lässt. Für die Hülle könnenThermoplaste, Schmelzklebstoffe (Hotmelt) und Duroplaste verwendet werden. Alle Materialien haben dabei ihre spezifischen Eigenschaften und werden nach den Schutzanforderungen ausgewählt.

So muss das Material – auch in Bezug auf die Schmelztemperatur und den Schmelzindex (MFI) – mit den elektronischen Bauteilen kompatibel sein. Wäre die Schmelztemperatur des Kunststoffes zu hoch, könnten auch die Lötverbindungen schmelzen oder sich die Eigenschaften der Bauteile verändern. Wäre der Druck zu hoch, würden Bauteile durch den Kunststoff abgerissen oder beschädigt.

Durch Simulation jedoch lassen sich Erwärmung und Druck auf die Komponenten abstimmen, und sie werden an das Layout der Leiterplatte angepasst. Auch die Positionen der Einspritzpunkte und das Material stimmen dann. Je grösser die Komponente und der Einfluss mechanischer Verformung und Temperatur, desto sorgfältiger muss die Umspritzung evaluiert und bei Bedarf in einer Machbarkeitsstudie getestet werden. Durch eine sorgfältige Optimierung lassen sich dann aber auch Leiterplatten aus Keramik problemlos umspritzen. Eine so umspritzte Baugruppe reagiert unempfindlich auf elektrostatische Entladungen.

Sie muss daher nicht zwingend in einer ESD-Zone verarbeitet werden, was die Kosten senkt. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese vorgefertigten Teile in der weiteren Verarbeitung direkt in die Linie integriert werden können, da das Vergießen und Aushärten entfallen. Die kurzen Taktzeiten und die sofortige Weiterverarbeitung senken die Herstellkosten, so dass sich die Direktumspritzung trotz spezifischer Werkzeuge gegenüber dem Verguss schon ab ein paarhundert Stück pro Jahr lohnt. Kritische Teile aus Metall oder Kunststoff, aber auch Markierungen, können direkt in die Spritzgussform eingelegt oder eingearbeitet werden.

Dieser Artikel ist erschienen in der Medizin&Technik Ausgabe 04-2016 des Konradin Verlags.

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