ELECTRONIC CLEANING. March Reinigung in der Elektronikfertigung: Wettbewerbsvorteil? Inventec Performance Chemicals S A Jan-Henryk Serzisko

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1 ELECTRONIC Reinigung in der Elektronikfertigung: Überflüssig, Electronic Notwendigkeit cleaning oder sogar Wettbewerbsvorteil? CLEANING Inventec Performance Chemicals S A Jan-Henryk Serzisko March

2 Inventec Performance Chemicals is a company of the Dehon Group DEHON Group HQ in Paris, France 100% owned by the Dehon family Since 1874 >500 employees over 15 sister companies in Europe, Asia & America One of the first high-tech Performance chemicals companies in Europe. Chemicals for the B2B and commercial automotive market. Liquified gasses for the re-frigeration, air conditioning and heating market 2

3 3 Business Units Inventec Performance Chemicals HQ in Paris, France 100% owned by the family Dehon Merger from Sotragal and Promosol More than 150 employees over 8 sister companies in Europe, Asia & America Soldering, cleaning & coating products for Electronics assembly applications Cleaning and Surface Treatment products for various markets Specialty chemicals for foam expansion, aerosols and chemical synthesis 3

4 Einführung Die Reinigung in der Fertigung von elektronischen Baugruppen hat einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis, die Zuverlässigkeit und den Yield. Ohne Reinigung ist eine erfolgreiche Produktion nicht möglich! 4

5 Wo muss in der Elektronikfertigung gereinigt werden? Unter anderem hier! Schablonen Pick & Place Pipetten Reflowofen 5

6 Schablonenreinigung Eine regelmäßige Reinigung der Schablonen ist erforderlich, um eine gleichmäßig gute Druckqualität zu gewährleisten. Die Druckqualität hat entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis beim Löten. Mögliche Ursache: verschmutzte Schablone 6

7 Schablonenreinigung Bei der Schablonenreinigung gibt es zwei Prozesse: 1. Die Reinigung der Schablone nach/vor Gebrauch. 2. Die (automatische) Reinigung der Schablonenunterseite im Drucker. Ursache: Verunreinigung auf Schablone Reinigung: Automatisch, manuell 7

8 Lötrahmenreinigung Das Gleiche lässt sich beim Wellenlöten sagen. Eine gute Reinigung der Lötrahmen ist ausschlaggebend für das Ergebnis beim Löten. Reinigungsmethode: Automatisch 8

9 Fehldruckreinigung Ein weiterer Reinigungsprozess, der vor dem Löten anfallen kann, ist die Reinigung von Fehldrucken. Reinigungsmethode: Automatisch, manuell 9

10 Ofenreinigung Während die Reinigung von Schablonen und Rahmen als selbstverständlich angesehen wird, wird ein anderer Reinigungsprozess oft vernachlässigt: Die Reinigung des Ofens. Eine unzureichende oder zu späte Reinigung des Ofens kann nicht nur zu höherem Verschleiß an beweglichen Teilen führen, sie kann auch zu höherem Ausschuss in der Produktion durch Flußmitteltropfen auf den Baugruppen führen. Mögliche Reinigungsarten: Manuell, automatisch 10

11 Baugruppenreinigung Zu guter Letzt steht dann noch die Frage an, ob es Sinn macht, nach dem Löten die Baugruppe selbst zu reinigen. Während bei den vorhergehenden Punkten eine Reinigung selbstverständlich ist, muss man bei diesem Punkt genauer abwägen. Beispiel Consumerelectronics: Oft keine Reinigung nötig. 11

12 12 Miniaturisierung

13 13 Neue Herausforderungen Miniaturisierung

14 Baugruppenreinigung Die Entscheidung hängt maßgeblich von verschiedenen Faktoren ab: 1. Welche Zuverlässigkeit wir von der Baugruppe erwartet? 2. Wie sicher sind die nach dem Löten verbliebenen Rückstände? 3. Welche nachfolgende Prozesse gibt es (z. B. Bonding, Beschichten)? 4. Lohnt sich der zusätzliche Aufwand für das Reinigen? 14

15 Baugruppenreinigung 1. Erwartete Zuverlässigkeit/Qualität: Hier ist der Satz aus der IPC zu Grunde zu legen: Qualität ist nur in dem Umfang zu realisieren, wie es dem geplanten Einsatzzweck des Produktes entspricht. 15

16 Baugruppenreinigung In der IPC-J-STD-001E werden konkrete Anforderungen an die Reinheit gestellt: z. B.: Kolophoniumrückstände Klasse 1 (gewöhnliche Elektronikprodukte): Klasse 2 (zweckbestimmte Elektronikprodukte): Klasse 3 (Hochleistungselektronik): weniger als 200µg/cm² weniger als 100µg/cm² weniger als 40µg/cm² 16

17 2. Wie sicher sind die Lötrückstände? Rückstände von No Clean-Lotpasten sind möglicherweise für manche Anwendungen nicht ausreichend zuverlässig. Kompatibilität mit anderen Chemikalien wie z. B. Lötstopplack, Schutzlackierung und Flussmittel ist notwendig. Rückstände müssen nach Reflow chemisch inert sein. Unter Umständen bestehen extreme Endkundenanforderungen an die Baugruppen. Chemische und elektrische Zuverlässigkeit von Baugruppen wird durch Standardtests und/oder maßgeschneiderte Tests überprüft: Temperatur-Feuchtigkeits-Spannungstest (THB-Test = Temperature Humidity Bias-Test) Bono-Test 17

18 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel THB-Test: Coupons IPC B24 IPC B25 IPC B25A 18

19 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel THB-Test: Kundenanforderung SIR mit Urethan/Alkyd Schutzlack (Dünnfilm) CC1 Methode: Aufbringung der Paste im Reflowverfahren Beschichtung der Platinen mit dem Schutzlack SIR-Test wird nach IPC TM-650 Methode Rev A gestartet, allerdings bei 40ºC/93% RH. Anlegung Vorspannung von 50 V während 500 h. Messungen bei Testpotential von 100 V bei T0, nach 24 h und während 500 h alle 24h. Ergebnisse: Bewertungsgrundlage: SIR > 1E08 Ohm (Der Widerstand darf nach 24 h unter 100 MOhm fallen, sofern er sich wieder erholt). Keine Dendrite (Überprüfung auf elektrochemische Migration erfolgt bei Gegenlicht und 30-facher Vergrößerung). 19

20 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel THB-Test: Kundenanforderung P1: Ecorel Free 305-6D33 P1 auf B24 und B25 P1: Ergebnisse Dendriten P1: Ergebnisse SIR-Werte vor SIR nach SIR Kein Dendritenwachstum nach 500 h Test 20

21 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel THB-Test: Kundenanforderung P5: Ecorel Easy 803M2 P5 auf B24 und B25 P5: Ergebnisse Dendriten P5: Ergebnisse SIR-Werte vor SIR nach SIR Kein Dendritenwachstum nach 500 h Test 21

22 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel Bono-Test: Beschreibung Platinen: Angepasste Version der Bono-Testplatine für Wellenlöten FR4 einlagig, Cu 10 elektrolytische Zellen: sehr dünne Anode zwischen 2 Kathoden Lotpastendruck und Reflow: auf die Kathoden gedruckt 120 µm Stencildicke im gewünschten Reflowprofil gelötet Messungen und Fc-Berechnung (Korrosionsfaktor): angelegte Vorspannung 20 VDC, Messspannung 12 VDC R-Anode wird täglich gemessen Fc-Berechnung: R R Fc = d R 0 R d = Wert Widerstandes am Tag d und R 0 = Wert Widerstand am Tag 0, Angabe Fc in % 22

23 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel Bono- und THB-Test: Ergebnisse für 4 verschiedene Lotpasten: 23

24 Nachweis der Zuverlässigkeit Chemie/Flussmittel Bono-Test: Einfluss der Lotpaste Experiment 1: Beobachtungen (Mousebites, Kupferauflösung, Rückstände) SP A SP B SP C SP D SP E SP F Schlussfolgerung: niedriger Fc-Wert: Cu-Auflösung möglich hoher Fc-Wert: nicht unbedingt Mousebites Halogen verursacht Mousebites einige No-Clean Lotpasten können sehr starke Korrosion verursachen. Bono-Test zeigt Ergebnisse THB/SIR-Test garantieren nicht unbedingt Zuverlässigkeit Halogene und Halide beeinträchtigen die langfristige elektrische Zuverlässigkeit Flussmittel sollten halogen- und halidfrei sein 24

25 Zusammenfassung: Die Untersuchung des Flussmittelanteils hat gezeigt, dass traditionelle Tests wie THB/SIR nicht unbedingt einen sicheren Nachweis über Zuverlässigkeit bieten. Langfristige elektrische Zuverlässigkeit ist, gerade bei schwierigen klimatischen Bedingungen, stark abhängig von Qualität der Flussmittelreste. Vollständiges Abreinigen von Flussmittelresten kann Alternative zur Erhöhung der Zuverlässigkeit sein. Zusätzlich bietet sich dann auch eine Schutzlackierung an. 25

26 Baugruppenreinigung 3. Nachfolgende Prozesse sind unter anderem: Conformal Coating und Bonding Beide Prozesse können unter bestimmten Umständen ohne Reinigung durchgeführt werden. Hier ist abzuwägen, welche Ansprüche an die Baugruppen gestellt werden, bzw. wie der Yield mit und ohne Reinigung aussieht. 26

27 Baugruppenreinigung Im IPC-Hdbk-65B im Kapitel 8.11 ist nachzulesen: :...ist es unerlässlich, dass jede Baugruppe vor Conformal Coating gereinigt wird. Dadurch besteht wiederum die Gefahr, dass allein dadurch, dass nicht gereinigt wurde, bei einem Ausfall des Gerätes Haftungsansprüche gestellt werden könnten. 27

28 Baugruppenreinigung Beim Bonden ist es praktisch unerlässlich gründlich zu reinigen, um einen guten Yield zu erreichen. Außerdem erhöht sich die Zugkraft durch bessere Anbindung an die Oberfläche. 28

29 Baugruppenreinigung Wenn man zum Schluß kommt, dass Reinigung sinnvoll ist, muß man die Kosten gegen den Nutzen abwägen. Dazu ist es unerlässlich zu wissen, wie Reinigung funktioniert und was Reinigung kann. Außerdem muss definiert werden, welche Reinheit erzielt werden soll. 29 Page

30 Baugruppenreinigung Behandlung der Werkstücke chemisch thermisch mechanisch Diese drei Behandlungssysteme sind in jeder Anlage integriert. Kundenanforderungen und Tests entscheiden über die Anlagengestaltung. 30 Page

31 Kosten Faktoren u Preis der Anlage u Benötigtes Zubehör u Stellfläche u Energieverbrauch u Länge des Roboters u Menge der zu reinigenden u Art der Teile (Form, Material) u Wannenmaße u Konzentration u Verbrauch der Chemie u Wechselintervall u Abfallentsorgung u VI Wasser Bedarf u Spülwasser Bedarf u Chemiekosten 31 Page

32 Verfügbare Reinigungsprodukte A. Tenside, Salze, Seifen, Oberflächen Agenten und Wasser B. KW Destillate, Alkohole, Ketone, A2 Klasse Gemische C. Formulierte KW, aliphatic, cyclo, Iso-Paraffine, C9-C11 Terpene mit Additiven, A3 Klasse Gemische D. Bromierte Lösungsmittel, npb Gemisch mit Alkoholen E. Glykole oder modifizierte Alkohole, mit Additiven und Wasser F. Fluorierte Lösemittel, HFKW und HFEs, und Azeotrope 32

33 Typische Verschmutzungen 33

34 Typische Verschmutzungen Andere Verschmutzungen: Flussmittel ( RoHS, bleifrei) Natürliche und synthetische Harze Salze Lötkugel/Lötperlen Fingerabdrücke Rückstände auf Leiterplatten und anderes Ionen Bauteilprobleme 34

35 Hauptreinigungsprozess Wässriger Reinigungsprozess: Sprühen oder Tauchen PROMOCLEAN H2O H2O H2O DI oder Tensid oder Heissluft Fleckenfreie System Lösemitteltrocknung fleckenfreien mit den zur PROMOSOLV /HFE Trocknung Produkten 35

36 Hauptreinigungsprozess Wässriger Reinigungsprozess: Sprühanlage oder Wannen Halbwässriger Reinigungsprozess: KH gespült mit Wasser ❶ ❷ TOPKLEAN H2O H2O DI oder ou Wasser Heissluft Trocknung durch Entfernung von Wasser mit PROMOSOLV siehe Seite 15 System zur fleckenfreien Trocknung Abscheider Pumpe 36

37 Hauptreinigungsprozess Wässrige Reinigungsprozess: Sprühen oder Tauchen Halbwässrige Reinigungsprozess: KH gespült mit Wasser Vakuum Reinigungsprozess: Glykole oder modifizierte Alkohole 37

38 Hauptreinigungsprozess W W W W W W W Wässrige Reinigungsprozess: Sprühen oder Tauchen Halbwässrige Reinigungsprozess: KH gespült mit Wasser Vakuum Reinigungsprozess: Glykole oder modifizierte Alkoholen Dampfphasenentfetter: HFE, HFKW, npb, Azeotrope Azeotropes WWW WWWW U.S. U.S. 38

39 Hauptreinigungsprozess Wässrige Reinigungsprozess: Küschesprühanlage oder vannen Halbwässrige Reinigungsprozess: KH gespült mit Wasser Vakuum Reinigungsprozess: Glykolen or modifizierte Alkoholen Dampfphaseentfetter: HFE, HFKW, npb, Azeotropen Gemischter Co-Lösemittel Prozess: KH gemischt mit HFEs oder Anderem HFEs + Cosolvent HFEs WWW WWWW U.S. U.S. 39

40 Hauptreinigungsprozess Wässrige Reinigungsprozess: Küschesprühanlage oder vannen Halbwässrige Reinigungsprozess: KH gespült mit Wasser Vakuum Reinigungsprozess: Glykole oder modifizierte Alkoholen Dampfphaseentfetter: HFE, HFKW, npb, Azeotrope Gemischter Co-Lösemittel Prozess: KH gemischt mit HFEs oder Anderem Getrennter Co-Lösemittel Prozess: Formulierte KH + HFE Azeotropen Co-solvents WWWWWWW U.S HFEs HFEs WWWWWW WWWW WWW U.S 40

41 41 Löslichkeit Eigenschaften

42 42 Oberflächenspannung Faktor

43 Mechanische Unterstützung Sprühen, sprühen in Leiterplattenwaschanlage Sprühen unter Flüssigkeit, Druckumflutung Bewegung der zu reinigenden Teile im Medium Ultraschall, Multi-Frequenz Siedende Flüssigkeit Luft Alle Techniken können mit dem richtigen Produkt und den richtigen Konditionen sehr effizient verwendet werden 43

44 Beispiel einer Reinigungsqualifizierung Kunde: Medizintechnik, Implantate, Klasse 3 44

45 Spezifikationen Kontrollmethode Einheit Optisch IPC-A-610-D Mikroskop 5-40 x Kontaminometer Mil-P ,56 µg Eq NaCl/cm2 600 PCBs pro Versuch Ergebnisse dreifach auswerten Versuche mit typischen Flussmitteln: (IPC-TM-650) Auftrag mit Rakel und Dispenser Mit Blei, Cleanable Mit Blei, No Clean Bleifrei, Cleanable Bleifrei, No Clean Tacky Flux, No Clean 45

46 Spezifikationen PCBs für Versuch, starr und flexibel, Komponenten bis 0,1mm 46

47 Ultraschalleffekt bei Quarz Artikel Bezeichnung Gehaüse Crystal 26 MHz SMD Crystal 3.68 MHz SMD Crystal 3.68 MHz SMD Crystal 32 khz SMD Crystal 32 KHz SMD Crystal 32 khz Leaded comp Crystal 4 MHz SMD Crystal 7.33 MHz SMD SELF 220UH 0.25A TH Comp Toroïdal Step-up Transformer Leaded comp. 47

48 48 Ultraschalleffekt bei Quarz

49 Ultraschalleffekt bei Quarz Ohne Ultraschall Mit Ultraschall 49

50 Ergebnisanalyse Typische Reinigungsrückstände bei wässriger Reinigung 50

51 Ergebnisanalyse Typische Reinigungsrückstände bei halbwässriger Reinigung 51

52 Ergebnisanalyse 52 Typische Reinigungsrückstände bei Reinigung im Vakuum

53 Ergebnisanalyse Typische Reinigungsrückstände bei Reinigung in Lösemittel- Dampfphase 53

54 Ergebnisanalyse 54 Typische Reinigungsrückstände bei Reinigung mit getrenntem Co-Solvent

55 Auswertung Reinigungs Prozess Produkt Familie Anlagentyp Vergleichsskala 1:10 10 ist am besten Sprühen, wässrig Tensid 1 Sprühen 4 Getaucht US 40 khz, wässrig Tensid 2 In Reihe 1 Sprudel, halb-wässrig Glykolen Gemish 3 In Reihe 3 Getaucht US 40 khz, halb-wässrige Glykolen Gemisch 3 mehrere Becken 7 Getaucht US 30 khz, mono-produkt Glykol 4 Vakuumanlage 7 Getaucht US 40 khz, halb-wässrige Glycol formulation 5 mehrere Becken 1 Getaucht US 25kHz, Co-Solvent Form KW/HFE Co-Solvent/Dampfphase 9 Getaucht US 38kHz, Co-Solvent Form KW /HFE Co-Solvent/Dampfphase 9 Durckumflutung, Co-Solvent Form KW./HFE Co-Solvent/Dampfphase 8 Getaucht, US 40 khz, Dampfphase Bromiertes Lösemittel Dampfphase 4 Ergebnisse über 8 erfüllen die Kundenanforderungen und sind sehr gut. 55

56 Ionische Kontamination z.b. 23 PCBs Immersion US 38 khz, co-solvent sep 56

57 Zusammenfassung Die Entscheidung, ob Reinigung notwendig ist, hängt von Spezifikationen, Kundenwunsch, technischen Anforderungen und den anfallenden Kosten ab. Reinigen von Baugruppen ist dann ein Wettbewerbsvorteil, wenn die Reinigungskosten geringer sind als der Gewinn durch bessere Effektivität. Ein weiterer Wettbewerbsvorteil ist die größere Sicherheit gegenüber Haftungsansprüchen. Die Kosten der Reinigung sind mehr als nur Kosten für die Maschinen und Chemie. Man muss Energiekosten, Stellfläche, Lagerfläche, Arbeitsfläche, Personalkosten, Abwasser, Recycling und Zeit berücksichtigen. 57

58 Vielen Dank! Bitte sprechen Sie mich bei Fragen an: Jan-Henryk Serzisko Tel.: