Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Autoklavierbarer Schutz für Elektronik in der Medizintechnik : Ausgabe 13/2017, 16.08.2017

Schutzgrad IP68 wird erreicht

In der Medizintechnik hat der Schutz der Elektronik einen sehr hohen Stellenwert. Denn sie könnte in Kontakt mit Patientenflüssigkeiten kommen, wenn Medizingeräte körpernah oder im Körper arbeiten. Um diese Geräte wiederzuverwenden und so Kosten zu sparen, werden sie vor dem nächsten Einsatz auf- bereitet. Alle potenziell schädlichen Organismen und Stoffe sind zu entfernen oder unschädlich zu machen.

Bilder: Turck duotec

Die Reinigung kann durch einen Waschgang in einer alkalischen Lösung und anschliessender Sterilisierung in einem Autoklaven erfolgen. Der Prozess stellt hohe Anforderungen an den Elektronikschutz betreffs Dichtigkeit gegenüber Flüssigkeiten und Dampf sowie chemischer und thermischer Beständigkeit. Ablagerungen oder Infiltrierungen von Flüssigkeiten können zu Kurzschlüssen und dem Komplettausfall der Elektronik führen. Schwachstellen sind speziell die Schnittstellen verschiedener Materialien wegen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und der chemischen Beständigkeit. Die eingesetzten Materialien, die in direktem Körperkontakt stehen, müssen zudem biokompatibel sein.

Direktumspritzung – neu auch autoklavierbar

Die eingesetzten Verfahren müssen extrem zuverlässig sein, damit der Schutz der Elektronik über die gesamte geplante Lebensdauer des Produkts gewährleistet ist. Der Langzeiteffektivität des Schutzes kann dabei zwar im Labor unter praxisnahen Bedingungen simuliert werden, letztlich ist aber eine hohe und gleichbleibende Qualität des Schutzprozesses unerlässlich, um spätere Ausfälle im Betrieb aufgrund des Versagens des Elektronikschutzes zu vermeiden.

Die Direktumspritzung ist ein zuverlässig repetierbares Verfahren zum Schutz von elektronischen Baugruppen. Sie ergänzt die Verfahren Vergiessen, Verschäumen, Lackieren oder Beschichten und wird von Turck duotec seit 1997 eingesetzt. Bei dem Vorgang der Direktumspritzung bildet das Material einen homogenen Körper um die Elektronik, da keine Gehäusehälften verbunden werden oder ein Gehäuse mit Vergussmasse gefüllt werden muss. Durch geschickte Materialpaarung können Kabelmantel oder Kabellitzen beim Umspritzen mit dem Gehäuse verschmelzen. Dadurch bilden die Materialien eine kohäsive Fügestelle und es wird ein Schutzgrad von IP68 erreicht. Dieser Aspekt wird getestet, indem die Baugruppe einer künstlichen Alterung unterzogen und dann während weiterer sieben Tage unter Wasser in 1 m Tiefe gelagert und danach erneut getestet wird. Sie muss danach immer noch funktionstüchtig sein und keinen Leckstrom durch das Gehäuse aufweisen.

Autoklavierbare Direktumspritzung auch für die Medizintechnik

Das dabei eingesetzte Material ist biokompatibel, thermisch stabil bei den gängigen Autoklavtemperaturen zwischen 134 und 137 °C, hydrolysestabil, hat einen guten Barriereeffekt und ist chemisch beständig gegenüber den gängigen Reinigungsmitteln und -verfahren und gleichzeitig auch für die Direktumspritzung geeignet, was für die meisten autoklavierbaren Kunststoffe widersprüchlich ist.

In Labortests konnten elektronische Baugruppen über 1000 Mal autoklaviert werden und funktionierten weiterhin. Die autoklavierbare Direktumspritzung eignet sich aufgrund der Kombination von Präzision, Miniaturisierung durch Wandstärken von einigen Zehntel Millimetern und der Formgebung, die auf die Baugruppe abgestimmt ist und der daraus resultierenden Gewichteinsparung speziell für Applikationen in der Medizintechnik. Das Material kann unter kontrollierten Bedingungen (z. B. im Reinraum) eingesetzt werden.

Der Vorgang und die Vorteile der Direktumspritzung

Ein 3D-Kunststoffgehäuse wird durch Kunststoffspritzguss direkt um eine elektronische Baugruppe angefertigt. Durch eine optimale Abstimmung des Materials und der Formgebung auf die Elektronik sowie die geplante Verwendung resultieren optimale Lösungen. Verwendet werden Thermoplaste, Schmelzklebstoffe (Hotmelt) und Duroplaste. Alle Materialien haben dabei ihre spezifischen Eigenschaften und werden nach den Schutzanforderungen ausgewählt.

So muss das Material die passenden chemischen und mechanischen Eigenschaften aufweisen und zugleich in Bezug auf die Schmelztemperatur und den Schmelzindex (MFI) kompatibel sein mit den elektronischen Bauteilen. Ist die Temperatur zu hoch, schmelzen die Lötverbindungen oder die Eigenschaften der Bauteile verändern sich. Ist der Druck zu hoch, werden die Bauteile durch den Kunststoff abgerissen oder beschädigt.

Umspritze Bauteile sind unempfindlich gegen Elektrostatik

Die Erwärmung und der Druck auf die Komponenten werden genau simuliert und sind abhängig vom Layout der Leiterplatte, den Positionen der Einspritzpunkte und dem Material. Je grösser die Komponente und der Einfluss von mechanischer Verformung und Temperatur, desto sorgfältiger muss die Umspritzung evaluiert und bei Bedarf in einer Machbarkeitsstudie getestet werden. Durch eine sorgfältige Optimierung lassen sich auch Leiterplatten aus Keramik problemlos umspritzen. Die Materialien und Komponenten sind bei der Direktumspritzung Standardware, einzig die Anforderungen in Bezug auf die Toleranzen der Leiterplatte sind aufgrund des Einlegens in die Spritzgussform durch die Lieferanten der PCB zwingend einzuhalten. Eine umspritzte Baugruppe reagiert unempfindlich auf elektrostatische Entladungen. Sie muss daher nicht zwingend in einer ESD-Zone verarbeitet werden, was zu einer Kosteneinsparung führt. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese vorgefertigten Teile direkt in die Taktzeit des Kunden in der Linie integriert werden können, da z. B. das Vergiessen und anschliessende Aushärten entfällt.

Kurze Taktzeiten sparen Herstellkosten

Die kurzen Taktzeiten und die sofortige Weiterverarbeitung sparen Herstellkosten, sodass sich die Direktumspritzung gegenüber dem Verguss schon ab ein paar hundert Stück pro Jahr lohnt. Die Werkzeuge werden spezifisch gefertigt, wobei die Initialkosten ins Verhältnis zur Langlebigkeit des Werkzeuges gebracht werden müssen. Eine Amortisierung wird durch die Verwendung mit verschiedenen Einlegeteilen beschleunigt. Kritische Teile aus Metall oder Kunststoff, aber auch Markierungen können direkt in die Spritzgussform eingelegt oder eingearbeitet werden. 

Infoservice

Turck duotec SA
63, rue du Stand, 2800 Delémont
Tel. 032 424 47 01, Fax 032 424 47 99
sales@turck-duotec.com
www.turck-duotec.com

SWISS MEDTEC EXPO: Halle 2, A 2020



Umspritzter Drucksensor auf Keramikleiterplatte mit Kabelzugentlastung


Beispiel von umspritzten Elektronikkomponenten


Schematische Darstellung einer Umspritzung in drei Schritten