Hochleistungs-Silikon-Verkapselung DOWSIL™ 170 in industriellen 5G-Kommunikations-Netzteilen​

Mit dem rasanten Fortschritt der 5G-Technologie stehen ihre Infrastrukturen, insbesondere die Stromversorgungsmodule in Kommunikationsbasisstationen, vor beispiellosen Anforderungen. Diese Module müssen zuverlässig und kontinuierlich unter rauen Bedingungen arbeiten, die extreme Temperaturschwankungen, hochfrequente Vibrationen, Feuchtigkeit und Staub umfassen, und gleichzeitig eine effektive Wärmeableitung bei hoher Leistungsdichte und langfristiger elektrischer Isolationszuverlässigkeit gewährleisten. Ein renommiertes Kommunikationsgerätehersteller (im Folgenden als "der Kunde" bezeichnet) stieß bei der Entwicklung seiner neuen Generation von industrietauglichen 5G-Basisstations-Stromversorgungsmodulen auf diese großen Herausforderungen.

​​Herausforderungen & Anforderungen:​​

Das Strommodul des Kunden enthielt empfindliche Komponenten wie Hochfrequenztransformatoren, Leistungsinduktivitäten, MOSFETs und Präzisions-IC-Steuerungen. Erste Tests mit herkömmlichen Epoxidharz-Verkapselungen zeigten erhebliche Probleme: Erstens erzeugte die hohe Härte und der hohe Modul des ausgehärteten Epoxidharzes erhebliche innere Spannungen während intensiver Temperaturwechsel (-40 °C bis +85 °C) aufgrund der Fehlanpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Epoxid, Komponenten, Leiterplatte und Metallgehäuse. Dies führte zu Mikrorissen oder Brüchen in mehrschichtigen Keramikkondensatoren (MLCCs) und zu Ermüdungserscheinungen an Lötstellen. Zweitens traten interne Hotspots auf, und die unzureichende Wärmeleitfähigkeit (ca. 0,2 W/mK) des herkömmlichen Verkapselungsmaterials führte dazu, dass kritische Leistungskomponenten überhitzten, was die Gesamtlebensdauer und den Wirkungsgrad beeinträchtigte. Sie benötigten dringend ein Material, das gleichzeitig eine ausgezeichnete Spannungsabsorption, eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine bequeme Reparierbarkeit und UL-zertifizierte Flammwidrigkeit bieten konnte.

​​Materialauswahl: DOWSIL™ 170 Silikon-Elastomer​​

Nach umfangreichen Bewertungen und rigorosen Tests wählte der Kunde schließlich das zweiteilige Silikon-Verkapselungsmaterial DOWSIL™ 170 von Dow als Lösung. Die Entscheidung basierte auf seinen herausragenden umfassenden Eigenschaften:

1. 1. 1.

      ​​Ausgezeichnete Flexibilität & Spannungsentlastung:​​ DOWSIL™ 170 härtet zu einem weichen Elastomer mit einer Shore-A-Härte von 47 aus. Sein niedriger Modul absorbiert und verteilt effektiv thermische und mechanische Spannungen und wirkt wie ein "Schutzkissen" für empfindliche Komponenten, wodurch Ausfälle, die durch CTE-Fehlanpassung verursacht werden, vollständig eliminiert werden.

   2. 2.

      ​​Gute Wärmeleitfähigkeit:​​ Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,48 W/mK, die deutlich höher ist als bei herkömmlichen Verkapselungsmaterialien, leitet es die Wärme effizient von Leistungskomponenten zum Metallgehäuse ab, wodurch die internen Betriebstemperaturen gesenkt und die Leistungsdichte und die langfristige Zuverlässigkeit erhöht werden.

   3. 3.

      ​​Außergewöhnliche elektrische Isolierung:​​ Sein extrem hoher Volumenwiderstand (>5,6×10¹⁷ Ω·cm) und die Durchschlagsfestigkeit von 472 V/mil (18 kV/mm) bieten dauerhaften und zuverlässigen Isolationsschutz für Hochspannungs- und Hochdichteschaltungen und verhindern Leckströme oder Kurzschlüsse in feuchten Umgebungen.

   4. 4.

      ​​Bequeme Verarbeitung & Reparierbarkeit:​​ Das Mischungsverhältnis von 1:1 vereinfacht die Dosier- und Mischprozesse erheblich, wodurch die Produktionskomplexität und der Abfall reduziert werden. Seine gemischte Viskosität von 2135 cP bietet eine gute Fließfähigkeit und gewährleistet ein gründliches Eindringen und Füllen komplexer Geometrien und feiner Spalte. Entscheidend ist, dass bei Bedarf eine Nachbearbeitung des Moduls erforderlich ist, das ausgehärtete Silikon präzise geschnitten und abgezogen werden kann. Komponenten können repariert und der Bereich neu vergossen werden, wodurch die Kundendienstkosten erheblich gesenkt werden – ein klarer Vorteil gegenüber starren Epoxiden.

   5. 5.

      ​​Zuverlässige Flammwidrigkeit & Zertifizierungen:​​ DOWSIL™ 170 ist UL 94 V-0 zertifiziert und entspricht der Bahnnorm EN 45545-2 (HL3-Level) und erfüllt somit strenge Sicherheitsanforderungen für industrielle Anwendungen.

​​Anwendungsprozess:​​

In der automatisierten Produktionslinie des Kunden verlief der Prozess wie folgt:

1. 1. 1.

      ​​Vorbereitung & Mischen:​​ Die Komponenten A und B wurden aus der Kühlung auf Raumtemperatur gebracht. Anschließend wurden sie mit automatischen Dosiergeräten präzise dosiert und in einem Volumenverhältnis von 1:1 gemischt.

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      ​​Vergießen:​​ Die homogen gemischte Flüssigkeit wurde in das Gehäuse des Leistungsmoduls, das die montierten Komponenten enthielt, abgegeben. Dank seiner geeigneten Fließfähigkeit füllte das Material problemlos alle Hohlräume und verkapselte jede empfindliche Komponente, ohne dass eine zusätzliche Vakuumentgasung erforderlich war (für diese spezifische Struktur).

   3. 3.

      ​​Aushärten:​​ Um die Produktionseffizienz zu steigern, wurden die Module 25 Minuten lang in einen 70 °C-Ofen gelegt, um eine vollständige Aushärtung zu erreichen. Alternativ konnte die Aushärtung bei 25 °C über 24 Stunden erfolgen, was eine flexible Zeitplanung ermöglichte.

​​Ergebnisse & Vorteile:​​

Nach dem Vergießen mit DOWSIL™ 170 wurde die Leistung der 5G-Leistungsmodule des Kunden erheblich verbessert:

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    ​​Deutlich erhöhte Zuverlässigkeit:​​ Die Module bestanden über 2000 Zyklen strenger Temperaturwechseltests und erweiterter Feuchtwärmetests ohne Ausfälle aufgrund von Spannungs- oder Isolationsproblemen.

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    ​​Optimiertes Wärmemanagement:​​ Die maximale Betriebstemperatur der Leistungskomponenten sank um etwa 15 °C, wodurch sich die Produktlebensdauer voraussichtlich mehr als verdoppelt.

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    ​​Produktionseffizienz & Kostenoptimierung:​​ Das vereinfachte Mischungsverhältnis verbesserte die Produktionsausbeute, und die Reparierbarkeit reduzierte die Kundendienstkosten drastisch.

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    ​​Erhöhte Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt:​​ Hohe Leistung und Zuverlässigkeit wurden zu Kernverkaufsargumenten, wodurch der Kunde erfolgreich Aufträge für mehrere große 5G-Infrastrukturprojekte sichern konnte.

​​Fazit:​​

In dieser Anwendung hat das Silikon-Verkapselungsmaterial DOWSIL™ 170 seinen Wert als Hochleistungsmaterial perfekt unter Beweis gestellt. Es ist nicht nur ein Füllstoff, sondern ein wichtiges technisches Material, das die Produktzuverlässigkeit, die Leistungsdichte und die langfristige Haltbarkeit verbessert. Seine einzigartige Kombination aus Flexibilität, guter Wärmeleitfähigkeit, einfacher Verarbeitung und Reparierbarkeit macht es zu einer idealen Wahl für den Verguss von Schutz in hochwertigen elektronischen Geräten, die unter rauen Bedingungen betrieben werden, wie z. B. Stromversorgungs- und Steuereinheiten in 5G-Kommunikation, industriellen Steuerungen, Elektrofahrzeugen und Schienenverkehr.