Hermetische vs. nicht-hermetische Gehäuse: Wann ist hermetisch wirklich hermetisch?
Hermetische Gehäuse und Versiegelungen schützen empfindliche elektronische und photonische Komponenten vor Feuchtigkeit und schädlichen Gasen und helfen, einen vorzeitigen Ausfall zu verhindern. Diese Seite konzentriert sich auf die wichtigsten Unterschiede zwischen hermetischem und nicht-hermetischem Packaging und gibt Aufschluss darüber, wie Hermetizität korrekt definiert und getestet wird.
Was ist Hermetizität?
Hermetizität bezeichnet eine gasdichte Abdichtung, die sowohl das Eindringen als auch das Austreten von Feuchtigkeit und Gasen über die gesamte Lebensdauer eines Geräts verhindert. Aus technischer Sicht ist ein Gerät nur dann hermetisch, wenn es nicht nur während der Prüfung, sondern auch über Jahre oder Jahrzehnte hinweg einen äußerst niedrigen Feuchtigkeitsgehalt im Inneren aufrechterhalten kann. Obwohl „hermetisch“ häufig synonym mit „luftdicht“ verwendet wird, ist die technische Definition deutlich strenger. Ein Gehäuse oder eine Komponente, die anfangs gasdicht ist, aber im Laufe der Zeit das Eindringen von Feuchtigkeit zulässt, ist nicht hermetisch.
Wichtigste Erkenntnis: Hermetizität ist eine dauerhafte Eigenschaft, kein kurzfristiges Prüfergebnis.
Erfahren Sie mehr über Hermetizität.
Selbst Spuren von Wasserdampf können die Leistung und Zuverlässigkeit elektronischer und photonischer Systeme beeinträchtigen. Steigt die interne Feuchtigkeit über die Kondensationsschwelle, kann dies zu chemischer Korrosion von Metallverbindungen, elektrischen Leckströmen, unbeabsichtigten Kurzschlüssen durch Ionenmigration sowie zu verminderter Stabilität oder Genauigkeit photonischer Komponenten infolge von Lichtstreuung führen.
"Luftdicht" beschreibt typischerweise den Widerstand gegen Gasdurchfluss zu einem bestimmten Zeitpunkt. "Hermetisch" erfordert darüber hinaus eine langfristige Stabilität gegenüber Feuchtigkeitsdiffusion sowie keinerlei Beeinträchtigung der Barriereeigenschaften über die gesamte Lebensdauer des Geräts hinweg. Ein Bauteil kann luftdicht sein, ohne hermetisch zu sein – aber nicht umgekehrt.
Die innere Feuchtigkeit wird üblicherweise in Teilen pro Million (ppm) angegeben. Bei einem Feuchtigkeitsgehalt unter 5000 ppm bleibt der innere Taupunkt niedrig genug, um Kondensation und Korrosion unter normalen Betriebsbedingungen zu verhindern. Oberhalb dieses Schwellenwerts kann sich ein feuchtigkeitsbedingter Ausfall rapide entwickeln.
Um als wirklich hermetisch zu gelten, müssen Abdichtungen und Verpackungen ausschließlich auf anorganischen Materialien basieren. Zu den gängigen Ansätzen gehören Glas-Metall-Versiegelung, Keramik-Metall-Versiegelung, mehrschichtige Keramikgehäuse oder Glasrohre. Diese Technologien sind in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Industrie und Energietechnik weit verbreitet.
Hermetische vs. Polymergehäuse – der grundlegende Unterschied
Die Hermetizität wird durch grundlegende Materialeigenschaften bestimmt. Nur anorganische Materialien wie Glas, Metalle und Keramik bieten eine nahezu vollständige Undurchlässigkeit sowie eine langfristig stabile Barrierewirkung. Sie altern nicht, verspröden nicht und verlieren ihre Schutzfunktion nicht. Polymerwerkstoffe hingegen sind von Natur aus permeabel. Feuchtigkeit und Gase diffundieren durch das Material selbst, und Umwelteinflüsse wie Temperatur, Druck und Chemikalien beschleunigen Alterung und Abbau.
Wie in der folgenden Tabelle zusammengefasst, müssen Gehäuse auf Polymerbasis daher unabhängig von kurzfristigen Testergebnissen stets als nicht-hermetisch betrachtet werden.
| Typ |
Typ
Polymerdichtungen und Polymergehäuse
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Typ
Hermetische Dichtungen und Gehäuse
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| Materialtyp |
Materialtyp
Organische Polymere, Epoxide, PEEK Materialien
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Materialtyp
Anorganisch, z. B. Glas-Metall-Dichtungen
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| Feuchtigkeitspermeation |
Feuchtigkeitspermeation
Hohe intrinsische Permeationsraten
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Feuchtigkeitspermeation
Nahezu keine Feuchtigkeits- und Gaspermeation
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| Alterung im Laufe der Zeit |
Alterung im Laufe der Zeit
Natürliche Alterung und Versprödung
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Alterung im Laufe der Zeit
Nahezu keine Alterung oder Materialdegradation
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| Langfristige Zuverlässigkeit / Zeit bis zum Erreichen kritischer Feuchtigkeitswerte |
Langfristige Zuverlässigkeit / Zeit bis zum Erreichen kritischer Feuchtigkeitswerte
Mehrere Tage bis Monate
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Langfristige Zuverlässigkeit / Zeit bis zum Erreichen kritischer Feuchtigkeitswerte
Jahrzehnte
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| Relevanz der Helium-Lecktestprüfung |
Relevanz der Helium-Lecktestprüfung
Irreführend, da ungeeignet
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Relevanz der Helium-Lecktestprüfung
Sinnvoll
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| Eignung für anspruchsvolle Umgebungen |
Eignung für anspruchsvolle Umgebungen
Begrenzt. Anfällig für Temperatur-, Druck- und chemische Zersetzung.
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Eignung für anspruchsvolle Umgebungen
Ja
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| Echte Hermetizität |
Echte Hermetizität
Nein
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Echte Hermetizität
Ja
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Abb. 2: Detaillierter Vergleich von Polymerdichtungen gegenüber hermetischen Glas-Metall-Dichtungen, wobei Unterschiede in der Materialzusammensetzung, der Feuchtigkeits- und Gaspermeation, dem Alterungsverhalten, der Langzeitzuverlässigkeit, der Umweltbeständigkeit und der tatsächlichen Hermetizität für kritische Anwendungen hervorgehoben werden.
Erfahren Sie mehr über hermetische Packages im Vergleich zu Polymergehäusen.
Polymere verfügen über eine molekulare Struktur mit freiem Volumen, das es Gas- und Feuchtigkeitsmolekülen ermöglicht, direkt durch das Material zu diffundieren. Dieser Prozess tritt auch ohne Defekte oder Risse auf und setzt sich über die gesamte Lebensdauer des Materials fort.
Polymermaterialien altern natürlicherweise durch thermische, chemische und mechanische Belastungen. Im Laufe der Zeit kann dies zu Versprödung, Rissbildung, erhöhter Permeation sowie zur Ausgasung flüchtiger Verbindungen in das Gehäuseinnere führen. Diese Effekte beeinträchtigen unmittelbar die langfristige Zuverlässigkeit.
Begriffe wie nahezu hermetisch oder quasi-hermetisch haben keine physikalische oder normbasierte Definition.
Aus Werkstoffsicht ist eine Dichtung oder ein Gehäuse entweder permeabel oder nicht permeabel. Polymere permeieren; Glas, Metalle und Keramik hingegen praktisch nicht.
Definition und Prüfung der Hermetizität
Die Hermetizität wird üblicherweise mithilfe der MIL-STD-883, Test Method 1014 überprüft, die ursprünglich für Militär- und Luft- und Raumfahrtelektronik sowie implantierbare medizinische Geräte entwickelt wurde. Heute dient sie auch häufig als Zuverlässigkeitsmaßstab in der Automobil-, Industrie-, Energiebranche und in ausgewählten Verbraucheranwendungen.
Die kritische Feuchtigkeitsgrenze
Um als hermetisch zu gelten, muss die interne Feuchtigkeit während der gesamten Lebensdauer des Geräts unter 5000 ppm (Parts per Million) bleiben. Unterhalb dieses Schwellenwerts ist der innere Taupunkt niedrig genug, um Kondensation und Korrosion zu verhindern. Bei Feuchtigkeitswerten von etwa 8000 ppm kann es bereits bei Temperaturen um 5 °C zu Kondensation kommen.
Warum Helium-Lecktests allein nicht ausreichen
Die Helium-Feinleckprüfung misst Leckagen, jedoch keine langfristige Permeation. Bei Gehäusen auf Polymerbasis kann dies zu irreführenden Ergebnissen führen, da kurze Testzeiten nicht der tatsächlichen Einsatzdauer entsprechen und eine Heliumdichtigkeit die Feuchtigkeitsdiffusion nicht verhindert. Dadurch können kritische Feuchtigkeitswerte bereits innerhalb von Tagen oder Wochen erreicht werden.
Wichtige Erkenntnis: Ein Polymergehäuse kann einen Helium-Lecktest bestehen und im realen Betrieb dennoch ausfallen
Erfahren Sie mehr darüber, wie Hermetizität definiert und geprüft wird.
- Leckage beschreibt den Gasfluss durch Defekte, Risse oder unvollkommene Dichtungen.
- Permeation beschreibt die Diffusion direkt durch das Material selbst.
Hermetische Tests befassen sich in erster Linie mit Leckage. Permeation hängt von der Materialwahl ab und kann bei Polymeren nicht ausgeschlossen werden.
Die Helium-Feinleckprüfung erkennt Leckagen unter kontrollierten Laborbedingungen. Sie misst jedoch nicht die langfristige Feuchtigkeitsdiffusion durch organische Materialien. Daher können Polymergehäuse die Heliumprüfung bestehen, während sie im realen Betrieb dennoch kritische Feuchtigkeitswerte erreichen.
Kleinere Hohlraumvolumina erreichen kritische Feuchtigkeitskonzentrationen schneller als größere. Wie in der folgenden Tabelle gezeigt, ist das Verhältnis von Hohlraumoberfläche zu Volumen umso größer, je kleiner das Gehäuse ist, was die Geschwindigkeit zum Erreichen gefährlicher Feuchtigkeitswerte erhöht.
Daher hängen zulässige Leckraten von der Gehäusegeometrie, der Prüfdauer und den Umweltannahmen ab. Leckratenwerte müssen stets im Kontext interpretiert werden.
Wann sollten Sie sich für hermetische oder Polymerverpackungen entscheiden?
Die Entscheidung zwischen hermetischen und nicht-hermetischen Gehäusen wird in der Regel durch die Empfindlichkeit der Komponenten gegenüber Feuchtigkeit und schädlichen Gasen, Leistungsanforderungen, Systemdesign-Beschränkungen und Betriebsbedingungen bestimmt. Während Polymerdichtungen für weniger anspruchsvolle Anwendungen ausreichen können, sind häufig zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich, um die Auswirkungen von Umwelteinflüssen über die Lebensdauer hinweg auszugleichen.
Hermetizität als Wegbereiter für Design und Performance
Hermetische Versiegelungen stehen häufig für maximale Zuverlässigkeit und langfristigen Schutz. Ihr Wert reicht jedoch noch weiter. Selbst wenn eine Polymerdichtung als ausreichend erscheint, kann gerade die Hermetizität den entscheidenden Unterschied für mehr Designfreiheit und zusätzliche Funktionalität machen.
Über den Schutz hinaus ermöglicht eine hermetische Versiegelung:
- Intelligentere, kleinere und weniger komplexe Designs, da auf die bei Polymerdichtungen häufig erforderlichen Kompensationsfunktionen verzichtet werden kann
- Verbesserte Kosteneffizienz im Vergleich zu hochentwickelten, mehrschichtigen, polymerversiegelten Lösungen
- Geringere Gesamtbetriebskosten dank längerer Wartungsintervalle und verlängerter Lebensdauer
- Stabile elektrische Isolierung über die Zeit sowie unter verschiedenen Umgebungsbedingungen
- Vorhersehbare Signalübertragung, frei von feuchtigkeitsinduzierter Drift oder Degradation
- Optische Klarheit und Wellenlängenstabilität für anspruchsvolle Photonik- und Sensoranwendungen
Kurz gesagt: Hermetizität bedeutet nicht nur Überleben in rauen Umgebungen – sie ermöglicht leistungsfähigere, effizientere und wirtschaftlichere Systemdesigns.
Um herauszufinden, ob hermetische Gehäuse die richtige Wahl für Ihr Projekt sind, kontaktieren Sie uns gerne!
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