Ultimativer Leitfaden zum Niederdruckformen (LPM)

Mit der Weiterentwicklung elektronischer Geräte hin zu Miniaturisierung, hoher Empfindlichkeit und hoher Integration steigen die Anforderungen an Verkapselungsprozesse immer weiter. Herkömmliches Vergießen und Hochdruckspritzgießen haben einige Nachteile, wie z. B. lange Verarbeitungszyklen, übermäßigen Materialabfall, komplexe Vorgänge und die Tendenz zu Thermoschocks oder mechanischen Schäden an elektronischen Bauteilen. In diesem Fall hat sich das Niederdruckspritzgießen (LPM) als geeignetere Verkapselungslösung erwiesen.

Dieser Artikel stellt die Funktionsweise des Niederdruckformens, gängige LPMS-Plattformen (Niederdruckformsysteme) und Gerätetypen, die wichtigsten verwendeten Materialien, typische Anwendungshinweise und weitere Inhalte vor. Darüber hinaus erläutern wir die wichtigsten Funktionen der Niederdruckformmaschine und der Niederdruckformmasse. Ob Ingenieur, Einkäufer oder Produktentwickler – dieser Leitfaden vermittelt Ihnen ein umfassendes Verständnis für den Nutzen und die Anwendung der Niederdruckformtechnologie.

Was ist Niederdruckformen (LPM)?

Niederdruckspritzguss (LPM) ist ein Verkapselungsverfahren für elektronische Bauteile. Dabei werden Niederdruck-Spritzgussverfahren und Schmelzklebstoffe eingesetzt, um empfindliche Komponenten wie Leiterplatten, Sensoren und Kabelbäume zu verkapseln und zu schützen.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Spritzgießen, das hohe Temperaturen und hohen Druck erfordert und leicht zu Bauteilschäden führen kann, arbeiten Niederdruck-Spritzgusssysteme unter wesentlich schonenderen Bedingungen. Der Druck liegt typischerweise zwischen 1.5 und 40 bar, und der Temperaturbereich reicht von 180 bis 240 °C. Das Verfahren ist schonender und verursacht keine thermische oder mechanische Belastung der Bauteile.

Bei diesem Verfahren kommen thermoplastische Niederdruckformmassen wie Polyamid und Polyolefin zum Einsatz. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hervorragende Fließfähigkeit aus und lassen sich auch bei geringem Druck problemlos in Formen füllen. Als Niederdruckformmassen können sie Bauteile gleichmäßig umhüllen und eine Schutzversiegelung bilden, die verhindert, dass Feuchtigkeit, Staub oder andere Umwelteinflüsse die Bauteile beeinträchtigen.

Insgesamt ist das Niederdruckgießen eine sauberere, effizientere und umweltfreundlichere Verkapselungsmethode. Es kann als Alternative zum Epoxidverguss, zur Silikonverkapselung und zum Hochdruckspritzguss dienen und eignet sich besonders für elektronische Produkte, die einen präzisen Schutz benötigen.

Maschinen und LPMS-Plattformen

Um stabile und konsistente Formergebnisse zu gewährleisten, werden beim Niederdruckformen üblicherweise spezielle Niederdruckformmaschinen eingesetzt. Diese Maschinen sind in der Regel Teil eines Niederdruckformsystems (LPMS). Ein System umfasst typischerweise einen Rohstoffbehälter, Zahnradpumpen, eine Heizeinheit und einen Formschließmechanismus.

Herkömmliche Spritzgussanlagen verwenden Schneckenförderer, die hohen Druck und eine komplexe Steuerung erfordern. Die Niederdruck-Spritzgussmaschine nutzt Zahnradpumpen zur Förderung, die die Durchflussmenge und den Druck des Niederdruck-Spritzmaterials präziser steuern können. Dadurch können die Komponenten schonender eingekapselt und Schäden durch hohe Temperaturen oder hohen Druck vermieden werden.

Zu den führenden Anbietern von LPMS-Plattformen, die derzeit auf dem Markt verfügbar sind, gehören:

•  LPMS USA

•  Henkel TECHNOMELT® Plattform

•  Cavist Manufacturing

•  MoldMan Systems™

Diese Unternehmen bieten eine Vielzahl von Niederdruck-Formsystemen an, die den Anforderungen unterschiedlicher Produktionsanforderungen gerecht werden. Von der Prototypenentwicklung in kleinen Stückzahlen bis hin zur Großserienfertigung werden sie in zahlreichen Branchen wie der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen eingesetzt.

Gängige Materialien für das Niederdruckformen

Der Erfolg des Niederdruckspritzgießens hängt maßgeblich von der Wahl der Niederdruckformmassen ab. Diese Niederdruckformmassen müssen über hervorragende Gesamteigenschaften verfügen, darunter gute Fließfähigkeit bei niedrigem Druck, starke Haftung an elektronischen Bauteilen, thermische Stabilität beim Erhitzen sowie hohe Umweltbeständigkeit, wie Wasser-, Staub- und Chemikalienbeständigkeit. Nur die Erfüllung dieser Anforderungen gewährleistet die Stabilität des Niederdruckspritzgussverfahrens und die Zuverlässigkeit der fertigen Produkte.

Gängige Niederdruckformmaterialien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Alle oben genannten Niederdruck-Spritzgussmaterialien sind thermoplastisch. Sie können beim Erhitzen weich werden und fließen und beim Abkühlen erstarren und aushärten. Die meisten Materialien sind nach UL 94 V-0 flammhemmend zertifiziert und entsprechen den Umweltschutznormen RoHS und REACH. Sie sind derzeit die am häufigsten verwendeten Materialien im Niederdruck-Spritzguss.

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Das Niederdruckformverfahren

Niederdruck-Spritzguss ist ein schnelles und schonendes Verfahren zur elektronischen Verkapselung. Der gesamte Prozess umfasst in der Regel die folgenden Schritte:

Komponenten einfügen

Platzieren Sie die zu verkapselnden elektronischen Komponenten – wie freiliegende Leiterplatten, Steckverbinder oder Kabelbäume – präzise im Formhohlraum. Das Formdesign muss eine stabile Positionierung der Komponenten gewährleisten, um Versatz oder mechanische Beschädigungen zu vermeiden.

Material einspritzen

Die geschmolzene Niederdruckformmasse wird mithilfe einer speziellen Niederdruckformmaschine in die Form eingespritzt. Der Einspritzdruck wird zwischen 1.5 und 40 bar geregelt. Der Einspritzvorgang ist schonend und stabil, sodass die Bauteile nicht beschädigt werden.

Kapselung

Niederdruck-Formmassen fließen gleichmäßig in die Form und umschließen das gesamte elektronische Bauteil sanft. Dank ihrer natürlichen Hafteigenschaften haften sie automatisch an der Oberfläche der Bauteile, erzielen so eine hervorragende Abdichtung und strukturellen Schutz und verhindern das Eindringen äußerer Einflüsse wie Feuchtigkeit, Staub und mechanische Stöße.

Kühlung:

Nach dem Einspritzen kühlt das Material in der Form schnell ab und verfestigt sich. Da es sich um thermoplastisches Material handelt, kann es nach dem Erhitzen fließen und nach dem Abkühlen schnell aushärten, ohne dass lange Wartezeiten erforderlich sind.

Auswurf

Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet und das fertige Produkt entnommen. Die Oberfläche des Produkts ist sauber und ordentlich, erfordert keine Nachbearbeitung und kann sofort mit der Funktionsprüfung oder Montage beginnen.

Hauptmerkmale und Vorteile des Niederdruckformens

Niederdruck-Spritzgießen (LPM) ist ein effizientes und sicheres Verfahren zur elektronischen Verkapselung. Es eignet sich besonders zum Schutz präziser elektronischer Komponenten wie Leiterplatten, Sensoren, Antennen und Kabelbäumen. Im Vergleich zum herkömmlichen Epoxid-Verguss oder Hochdruck-Spritzgießen ist Niederdruck-Spritzgießen insgesamt schonender, schneller und effizienter.

Hier sind die wichtigsten technischen Merkmale und praktischen Vorteile des Niederdruckformens:

Niederdruckbetrieb: Niederdruck-Formsysteme arbeiten mit 1.5–40 bar, wodurch mechanische Schäden an zerbrechlichen Komponenten verhindert werden.

Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen: Niederdruck-Formmaterialien schmelzen und fließen bei 180–240 °C, wodurch Schäden an Lötstellen oder wärmeempfindlichen Teilen vermieden werden.

Starke Haftung: Niederdruckformmassen haften ohne Grundierung oder Oberflächenbehandlung direkt auf den Bauteiloberflächen.

Hohe Schutzklasse: Die Formteile können die Schutzstufen IP67–IP69 erreichen und bieten eine hervorragende Beständigkeit gegen Wasser, Staub und Chemikalien – ideal für die Automobil-, Medizin- und andere anspruchsvolle Umgebungen.

Unterstützt komplexe Strukturen: Geeignet zum Einkapseln von 3D-Formen und feinen Merkmalen und erfüllt die Anforderungen an hochpräzise Verpackungen.

Schneller Formzyklus: Der gesamte Vorgang dauert nur 20–60 Sekunden und ist damit viel schneller als das Epoxidharzvergießen, das Stunden zum Aushärten benötigt.

Geringer Materialabfall: Niederdruck-Formmaschinen verwenden Zahnradpumpen, um den Durchfluss präzise zu steuern und so den Materialabfall zu minimieren.

Sofortiger nächster Schritt: Nach dem Abkühlen verfestigt sich das Material schnell und das Produkt kann direkt getestet oder zusammengebaut werden – keine Wartezeit erforderlich.

Aus Material wird Gehäuse: Niederdruckformmaterialien selbst bilden die endgültige Schutzhülle, sodass kein zusätzliches Gehäuse erforderlich ist.

Niedrigere langfristige Kosten: Obwohl Niederdruck-Formmaschinen eine höhere Anfangsinvestition erfordern, reduzieren sie auf lange Sicht den Arbeits- und Materialverbrauch sowie den Zeitaufwand und senken so die Gesamtbetriebskosten.

Umweltfreundlich und nachhaltig: Die verwendeten thermoplastischen Materialien sind recycelbar und der Prozess erzeugt nur minimale Emissionen. Darüber hinaus entspricht er den Umweltstandards RoHS und REACH.

Alles in allem bietet die Niederdruckformtechnologie sowohl einen hervorragenden Komponentenschutz als auch eine höhere Produktionseffizienz und ist damit eine der besten Verkapselungsoptionen in der modernen Elektronikfertigung.

Anwendungen des Niederdruckformens

Aufgrund seines schonenden Verfahrens und seiner hervorragenden Schutzleistung wird das Niederdruckformen in vielen Branchen häufig eingesetzt und eignet sich besonders für Szenarien, in denen der Schutz präziser elektronischer Komponenten erforderlich ist.

Hauptanwendungen:

Elektronik- und Leiterplatten-Spritzguss (Leiterplatten-Spritzguss)

Verguss von Leiterplatten

Abdichtung von Modulen wie USB-Laufwerken, Stromversorgungsmodulen und RFID-Tags

Allgemeiner PCB-Schutz vor Feuchtigkeit, Staub und Vibration

Automobilindustrie

Kapselung der Elektronik unter der Motorhaube, um Hitze und Öl zu widerstehen

Schutz der Sensoren im Innenraum vor Staub und Stößen

Umspritzen von Komponenten von EV-Batterien zur Isolierung und Sicherheit

Medizinische Geräte

Wird in Oximetern, Monitoren und Diagnosesensoren verwendet

Sorgt für Sicherheit und Schutz empfindlicher Elektronik

Industrie- und Unterhaltungselektronik

Smart-Home-Produkte wie Schlösser und Sensoren

Drohnen, GPS-Tracker, Wearables

Kabelbaum- und Kabelbaugruppen für bessere Haltbarkeit und Zugentlastung

Das Niederdruckformen eignet sich hervorragend für die Produktion kleiner und mittlerer Chargen und ist auch für sich schnell entwickelnde Branchen wie Elektrofahrzeuge (EVs) und das Internet der Dinge (IoT) sehr geeignet.

Fazit

Niederdruckformen verändert die Art und Weise, wie elektronische Bauteile verkapselt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ist es schneller, präziser und umweltfreundlicher. Niederdruckspritzguss hat sich zu einer idealen Alternative zum Epoxidverguss und Hochdruckspritzguss entwickelt.

Bei diesem Verfahren kommen optimierte Niederdruckformmaterialien zum Einsatz, kombiniert mit fortschrittlichen LPMS-Geräten. Dies kann Herstellern helfen, die Produktionskosten zu senken, die Produktzuverlässigkeit zu verbessern und die Gesamtproduktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.          

Wenn Sie empfindliche elektronische Komponenten verpacken müssen oder den Produktionsprozess einfacher und effizienter gestalten möchten, ist die Einführung der Niederdruckformtechnologie eine Lösung, die es wert ist, in Betracht gezogen zu werden.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Welches ist das beste Niederdruckformmaterial für die PCB-Kapselung?

Polyamidbasierte Materialien werden aufgrund ihrer hervorragenden Haftung, Feuchtigkeitsbeständigkeit und thermischen Stabilität häufig für den Leiterplatten-Spritzguss verwendet. Für nachhaltige Anwendungen gewinnen auch biobasierte Polyamide an Bedeutung.

2. Wie unterscheiden sich LPMS-Maschinen von herkömmlichen Spritzgussmaschinen?

Niederdruck-Spritzgießmaschinen verwenden Zahnradpumpen und benötigen deutlich weniger Druck (1.5–40 bar) als herkömmliche Schneckensysteme (350–1300 bar). Sie sind für Niederdruck-Spritzgießmassen und empfindliche Komponenten optimiert.

3. Kann Niederdruckformen das Vergießen vollständig ersetzen?

Ja, in vielen Anwendungen. Niederdruck-Spritzguss bietet im Vergleich zum Vergießen kürzere Zykluszeiten, einfachere Automatisierung und weniger Materialabfall bei gleichem oder besserem Schutz.

4. Ist LPIM für die Massenproduktion geeignet?

Ja. Ursprünglich wurden sie für Kleinserien eingesetzt, doch moderne Niederdruck-Formsysteme und Automatisierungsplattformen unterstützen heute auch Umgebungen mit hohem Durchsatz.

5. Wie ist der Lebenszyklus von Niederdruckformmassen?

Die meisten Niederdruckformmaterialien sind bei sachgemäßer Lagerung über zwei Jahre haltbar. Nach dem Formen bieten sie dauerhaften Schutz und Stabilität unter rauen Betriebsbedingungen.