Besserer Flammschutz bei Leiterplatten mit modifizierten Faserverbundkunststoffen

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Das wichtigste halogenfreie Flammschutzmittel für die Anwendung in Leiterplatten ist 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthren-10-oxid (DOPO). Als phosphororganische Verbindung kann DOPO aufgrund der P-H-Bindung mit Epoxidgruppen reagieren. Für anspruchsvolle Anwendungen eignet sich das strukturell verwandte Flammschutzmittel DOPO-HQ.

Flammschutzmittel unterbrechen Radikalreaktionen bei der Verbrennung

Ein weiteres OH-funktionalisiertes Flammschutzmittel, das auch als Härter fungiert, ist Poly-(m-Phenylmethylphosphonat). Durch thermische Zersetzung von DOPO – oder seinen Derivaten – werden phosphorhaltige Radikale freigesetzt. In einem sogenannten Radical-Scavenging-Prozess können so die bei der Verbrennung ablaufenden Radikalreaktionen unterbrochen werden. Dies ist vergleichbar mit der Wirkung bromhaltiger Flammschutzmittel (gasphasenaktiv).

Phosphororganische Flammschutzmittel haben ein umweltverträgliches Eigenschaftsprofil. Kennzeichnend für diese Produkte ist die ausgewiesene Flammschutzwirkung. Allerdings sind die Kosten häufig noch relativ hoch.

Aufgrund der stetig steigenden Produktionskapazitäten sinkt der DOPO-Preis. DOPO-Produkte werden immer konkurrenzfähiger. Zusätzlich führt der Einsatz von günstigen Synergisten wie Böhmit (AlOOH) zu einer deutlich niedrigeren DOPO-Beladung und spart somit Kosten.

Böhmit ersetzt Aluminiumhydroxid als Flammschutzmittel

Böhmit gehört zur Gruppe der additiven Flammschutzmittel. Im Zuge des bleifreien Lötprozesses ersetzt es das thermisch labilere Aluminiumhydroxid (Al(OH)3). Der Flammschutzeffekt beider Verbindungen kann durch eine kühlende und eine verdünnende Wirkung beschrieben werden.

Im Detail zersetzen sich Metallhydroxide in einer endothermen Reaktion, die Wasser freisetzt und der Flamme Energie entzieht (heat sink). Dadurch werden jedoch höhere Beladungen benötigt.

Weitere halogenfreie Flammschutzmittel für Leiterplatten sind Metallphosphinate. Aufgrund eines ausgeprägten Synergismus werden sie häufig in Kombination mit Melaminpolyphosphat (MPP) verwendet. MPP wirkt als Intumeszenz-Flammschutzmittel. Außerdem wurden kürzlich Melaminphenylphosphonate und Melaminphenylphosphinate als Flammschutzmittel für Epoxidharze entdeckt. Durch den bereits beschriebenen Synergismus zwischen Phosphor und Stickstoff zeigen Melaminsalze sowohl als Reinsubstanz als auch in Kombination mit DOPO und/oder MPP hervorragende Flammschutzeigenschaften in Leiterplatten.

Halogenfreie Flammschutzprodukte im Kommen

Das stetig wachsende Umweltbewusstsein in der Bevölkerung hat zu weltweiten Regulierungen des Chemikalienrechts und damit wird zu einem bewussteren Umgang mit Flammschutzmitteln geführt. Halogenfreie, umweltverträgliche Flammschutzprodukte auf Phosphor- und Stickstoffbasis sind auf dem Vormarsch.

Dennoch besteht weiterhin ein immenser Forschungsbedarf. Auch wenn bereits eine Vielzahl von Flammschutzmitteln zur Verfügung steht, werden deren Wirkmechanismen oft nur unzureichend verstanden und damit eine zielorientierte Forschung erschwert. Ein fundiertes Verständnis des jeweiligen Mechanismus ist für die gezielte Entwicklung neuer Flammschutzmittel erforderlich.

Auf dieser Basis können in Zukunft vor allem polymere Flammschutzmittel mit hohem Phosphorgehalt und einem geringen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften des gefertigten Bauteils einen wichtigen Beitrag leisten.

Auch das Erforschen und Verstehen von Synergismen zwischen Phosphor-, Stickstoff-, Schwefel- und Aluminiumverbindungen stellt eine Herausforderung dar. Entwicklungsimpulse kommen auch aus der Nanotechnik. Vor allem sogenannte Nanoclays auf Basis von Magnesium- oder Aluminiumhydroxidschichten (Montmorillonite) oder nanostrukturierte Siloxane (POSS) sind Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten.

* Dipl.-Chem. Sebastian Wagner und Muriel Rakotomalala M. Sc. sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Prof. Dr. Manfred Döring ist Gruppenleiter am IKFT

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