BAUGRUPPENTECHNIK. Sauberkeit ist mehr als eine Zier. Reinigen in der Elektronikfertigung Workshop bei Factronix, PBT und Zestron

Transkript

1 Sauberkeit ist mehr als eine Zier Reinigen in der Elektronikfertigung Workshop bei Factronix, PBT und Zestron Die Qual der Wahl hat der Anwender, wenn er sich für einen Reinigungsprozess entscheiden muss. Unterschiedlichste Reinigungsanlagen mit verschiedenen Reinigungsmechanismen sind derzeit verfügbar. Dass hierfür ein hoher Beratungsbedarf erforderlich ist, haben die Reinigungsexperten Factronix, PBT und Zestron erkannt: Sie luden am 27./ zum Praxis-Workshop nach Ingolstadt ein. Häufig wird das Reinigen in der Elektronikfertigung als kostentreibender, optionaler und unkritischer Prozess betrachtet. Ein Irrtum! Ein ziemlich großer sogar, denn: Zu wenig Sorgfalt bei der Reinigung von Baugruppen, Werkzeugen und Maschinen kann sehr viel Geld kosten, erläutert Thomas Otto, Field Service Manager bei Factronix. Er führt Beispiele an, die dies belegen sollen. Demnach sind einige Tools so empfindlich und teuer, dass eine manuelle Reinigung in kurzer Zeit unweigerlich zu Beschädigungen führt. Ungenügend gereinigte Schablonen bedingen überdies Probleme beim Pastendruck. Das Resultat: eine hohe Fehlerquote nach dem Löten. Ferner kann ein stark verschmutzter Ofen die Baugruppen verschmutzen. Auch steigt das Risiko eines Defekts am Ofen, was wiederum einen Produktionsausfall begünstigt. Von verunreinigten Lötrahmen können Partikel auf die Baugruppe gelangen und ebenfalls zu Fehlern führen. Grenzen der No-Clean-Fertigung Wer denkt, dass eine No-Clean-Paste ein Allheilmittel ist oder diese gar als Reinigungseinsparer sieht, unterliegt einem Irrglauben. Auf einen Nenner gebracht: Auch die No-Clean-Fertigung hat ihre Grenzen, räumt Dr. Alexandra Rost, Prozessingenieurin bei Zestron, ein. Nachfolgeprozesse wie Bonden oder Lackieren (Conformal Coating) machen eine Reinigung ebenso erforderlich wie eine Hochfrequenzschaltung. Hierbei bereiten hohe Frequenzen und niedrige Signale die Hauptsorge, da ein Übersprechen schnell zum Komplettausfall der Baugruppe führen kann. Um dies zu verhindern, ist ein gleichbleibend hoher Oberflächenisolationswiderstand, auch SIR (Surface Insulation Resistance) genannt, nötig. Nur die gründliche Reinigung der Baugruppen von allen ionisch aktiven Kontaminationen übrigens auch in No-Clean-Lösungen gewährleistet eine dauerhafte Zuverlässigkeit. Viele elektronische Baugruppen kommen in ungünstiger Umgebung zum Einsatz, was den sukzessiven Abbau der durch den No-Clean-Prozess entstandenen Abb. 1: Gut sichtbar sind die Ausbildungen der elektrochemischen Migration Abb. 2: Dentriten, wie anschaulich sichtbar, führen zu Kurzschlüssen und Fehlfunktionen in der Baugruppe PLUS 1 /

2 Schutzschicht zur Folge hat: Die Schicht wird porös oder löst sich vom Untergrund, wobei ionisch aktive Substanzen freigesetzt werden, welche die Elektromigration (Abb. 1 und 2) fördern, und zwar hauptsächlich in engen Bereichen unter Bauteilen, zwischen deren Anschlüssen oder anderen Kontaktflächen. Studien und viele schlechte Erfahrungen der Vergangenheit haben gezeigt, dass No-Clean-Lösungen immer geringfügig durchlässig gegenüber Wasserdampf bleiben. Somit kann Dendriten-Wachstum einsetzen und, bedingt durch höhere Temperatur- und Druckverhältnisse unter der Beschichtung, sogar beschleunigt werden. Warum reinigen? Eine eindeutig Regelung gibt es im Militär- und Luftfahrtbereich. Hier gilt die Vorschrift: Es ist zu reinigen! Ebenfalls zwingend gereinigt werden muss bei sicherheitsrelevanten Baugruppen, wenn Menschenleben in Gefahr sein könnte. Doch selbst wenn solch hohe Anforderungen nicht gegeben sind, geht es letztlich um die Frage, wie sich die dauerhafte Zuverlässigkeit einer Baugruppe gewährleisten oder sogar erhöhen lässt. Ein sorgfältiges Reinigen ist ein absolutes Muss, stellen die Experten von Factronix, PBT und Zestron unisono klar. Die Gründe für die Reinigung sind vielfältig: Bei Baugruppen wird zwischen der kosmetischen und der ionischen Reinigung sowie der Reinigung als fester Prozessbestandteil unterschieden. Während die kosmetische Reinigung gemäß IPC weiße Rückstände, die nicht aktiv sind, auf der Platine erlaubt, bestehen für die ionische Reinigung handfeste Gründe: Geräte, die mit Kondenswasser in Berührung kommen und Baugruppen, die lackiert werden müssen, sind von ionischen Verunreinigungen zu befreien. Schließlich müssen beim Drahtbonden die Kontaktflächen unbedingt frei von organischen Rückständen sein, weshalb der dritte Grund hierbei greift: die Reinigung als fester Prozessbestandteil. Ein weiterer Aspekt: Die stetig zunehmende Packungsdichte lässt die Strukturen auf der Druckschablone für den Pastendruck immer filigraner werden. Um einen gleichmäßig guten Pastenaufdruck für Produktivität auf hohem Niveau beizubehalten, ist eine professionelle Schablonenreinigung zwingend erforderlich. Schon allein, um durch Lotreste oder ausgehärteten Kleber verursachte verkleinerte und verstopfte Aperturen auf der Schablone zu vermeiden. Vorteile der maschinellen Reinigung Die Praxis zeigt häufig, dass viele Anwender erst einmal versuchen, störende Flussmittel-, Lotpastenoder SMT-Kleberrückstände selbst mit manuellen Reinigungsmethoden zu entfernen. Die Folge: Fasern können sich mit Lot- und Flussmittelrückständen vermischen, was die Druckqualität mindert, außerdem besteht die Gefahr der mechanischen Beschädigung von Druckschablonen. Man müsse erst gar nicht so lange warten, bis der Durchsatz zu hoch, der Arbeitsaufwand zuviel und die Reinigungsergebnisse zu schlecht würden, um sich über die Anschaffung eines automatischen Reinigungsprozesses Gedanken zu machen, resümiert Jens Hoefer, Geschäftsführer von Factronix und verweist auf die von Kunden gut akzeptierten Finanzierungsmodelle. Er kann auf eine mehr als zwanzigjährige Erfahrung zurückblicken, die mit der Gründung des Unternehmens in Alling bei München im Jahr 2007 gebündelt wurde. Denn wie der Firmenuntertitel Systeme für die Elektronikfertigung verspricht, hat sich der Ausrüster für die Elektronikindustrie auf den gesamten Bereich des Lötens und der angrenzenden Prozesse wie Reinigen, Bestücken, Rework und Inspektion spezialisiert. Und so wundert es nicht, dass Factronix im Jahr seiner Gründung den tschechischen Hersteller von Reinigungssystemen und -anlagen PBT Rožnov ins Programm aufgenommen hat, um so sein Angebotsspektrum zu erweitern. Heute umfasst es neben Verbrauchsmaterialien (Lotpasten, Lotdrähte, BGA- Kugeln und Flussmittel, allesamt von Qualitek), Reinigungsanlagen von PBT, mit dem Dienstleister Retronix Rework und Plagiaterkennung, mit Top- Line Dummykomponenten und Trainingsplatinen und schließlich sind Reparatur- und Reworksysteme von Ok International, Weller, JBC und Hakko erhältlich. Die Vorteile der maschinellen Reinigung liegen auf der Hand: Sie ist nicht nur schonend und gründlich, sondern zudem sicher und preisgünstig. Überdies gibt der maschinelle Reinigungsprozess dem Anwender eine hohe und vor allem reproduzierbare Prozesssicherheit, da die exakte Einhaltung der vorgeschriebenen Reinigungsparameter gewährleistet ist. Auch werden alle Bereiche der bestückten Platine erfasst, also auch unterhalb von Bauteilen. Zudem beschleunigt die hohe Badtemperatur (60 C) den Reinigungsvorgang. Das Badvolumen ist groß und die 114 PLUS 1 /2010

3 Ultraschallleistung recht stark. Hochdrucksprühen ist möglich und die Heißlufttrocknung (bis 110 C) beschleunigt die Trocknung speziell in Löchern. Stichwort Traceability: Im Zeitalter der transparenten Fertigungsprozesse elektronischer Baugruppen lässt sich auch die Rückverfolgbarkeit auf die Reinigungsparameter ausweiten, wie etwa Reinigungsmittel sowie -methode als auch deren Dauer, ebenso die Temperatur und die Reinigungsabfolge. Messbar und dokumentierbar wird zudem die Qualität der Reinigungsmedien (ph-wert, Leitwert). Zusammengefasst ergibt dies einen hohen Durchsatz bei gleichzeitig hoher Produktionsqualität. Vergleiche unterschiedlicher Reinigungsmethoden Vladimir Sítko, General Manager von PBT Rožnov p.r., kennt sich mit Reinigungsanlagen bestens aus: Unter seiner Ägide hat sich das aus einem schweizerisch-tschechischen Zusammenschluss (1992) entstandene Unternehmen mit Hauptsitz in Rožnov p.r. (pod Radhoštěm) zu einem etablierten Hersteller von Maschinen, Geräten und Hilfsmitteln zur Elektronik-Bestückung und Reinigungsanlagen entwickelt. Mit derzeit 75 Mitarbeitern erzielt das Unternehmen zusammen mit der im Jahr 2000 gegründeten Schwesterfirma MEAS (als Entwicklungs- und Produktionszentrum) einen jährlichen Umsatz von etwa 12 Mio. US$. Mehr als 3000 installierte Reinigungsanlagen weltweit für Defluxing (Baugruppen), Druckschablonen, Lötrahmen und Sonderlösungen kann er für sich verbuchen. Deshalb stellt er am Anfang seines Vortrages auch die Frage, welche Reinigungsmethode die effizienteste für die geforderte Aufgabe ist, um alsdann einige der Möglichkeiten vorzustellen, wie Ultraschall, Sprühen in Luft, Sprühen im Medium, Luftsprudler, Bewegen der Objekte beziehungsweise Schleudern oder Korboszillation. Die allgegenwärtige Angst vor Ultraschall nimmt der Experte vorweg mit der Vorstellung der aktuellen IPC-Norm IPC-AC-62A, in der explizit Ultraschall auch für Militäranwendungen erlaubt ist. Die Wirkungsweise ist einfach: Druckwellen mit hoher Frequenz erzeugen Hohlräume in der Flüssigkeit. Die Implosion der Hohlräume erzeugt Reibung. Je höher die Frequenz, desto kleiner die Hohlräume. Weniger Kraft, aber häufigeres Auftreten ist die Folge. Zudem wird eine nach wie vor gute Reinigungs- Thomas Otto (Factronix) und Dr. Alexandra Rost (Zestron) spannen die von Andreas Kraus (Kraus Hardware, Mitte) mitgebrachte Druckschablone in den Rahmen Andreas Kraus (Kraus Hardware, links) und Thomas Otto (Factronix) an der Spühreinigungsanlage Thomas Otto mit einer Baugruppe und Druckschablonen zur Reinigung PLUS 1 /

4 Vladimir Sítko von PBT an der SuperSwash Teilnehmer an der Ultraschallanlage für Schablonen und der Fehldrucke Stencilclean US Dr. Alexandra Rost bei der Analyse der gereinigten Druckschablone wirkung erzielt bei gleichzeitigem Schutz vor mechanischer Schädigung. Der Aufbau des Ultraschallfelds geschieht in so genannten Keulen, die mit maximaler Energiedichte beladen sind. Um die Energieverteilung zu optimieren, ist ein Abgleich des Generators mittels Frequenz-Hub nötig. Außerdem müssen die Objekte im Bad bewegt werden. Allerdings: Je höher die Frequenz, umso schmäler die Keulen und desto schwieriger eine Verteilung. Einschränkungen sieht der Experte zudem bei Relais mit Goldpads: Durch die hohen Schwingungen können die Goldfilter abfallen, das Relais funktioniert dann nicht mehr. Bei der Methode Sprühen in Luft hat PBT an den Düsen signifikante Verbesserungen realisiert, so dass minimaler Druckverlust, die Ausformung eines optimalen Querschnitts und die Vermeidung einer scharfen Bündelung das Ergebnis ist. Dadurch sei man in der Lage, ein direktes Besprühen der zu reinigenden Objekte zu ermöglichen und zwar mit einer gleichförmigen Streuung auf der Oberfläche. Begrenzende Faktoren sind hierbei der Umstand, dass nur nicht-entflammbare Reinigungsmittel einsetzbar und organische Lösungsmittel nur unter Schutzgas oder in explosionsgeschützten Anlagen möglich sind. Hilfreiche Tipps gab Vladimir Sítko zu den Methoden Gleichmäßigkeit im Sprühfeld (vertikal vs. horizontal und rotierende Sprüharme), der Reinigung von so genannten PumpPrint-Schablonen und unterhalb von Bauteilen, Sprühen in Medium, Luftsprudler, Korboszillation und Schleudern. Bleibt also die Frage nach der besten Reinigungsmethode. Für den Experten schlicht die falsche Frage, denn: Jede Methode hat ihren idealen Einsatzbereich. Während Ultraschall für hartnäckige Rückstände und schwer zugängliche Bereiche dienlich ist, eignet sich Sprühen in Luft für die Reinigung kleiner Aperturen auf der Druckschablone und um Neuverschmutzung zu vermeiden (Stichwort: Lotkugeln in Durchkontaktierungen). Alle anderen Methoden eigenen sich insbesondere für die Vorreinigung und Spülen. In jedem Fall ergibt die Kombination verschiedener Methoden den wirtschaftlichsten Weg zum optimalen Ergebnis, resümiert er. Auswahl des geeigneten Reinigungsmediums Lösemittel- und wasserbasierende Prozesse bietet Zestron an. Der Unternehmensphilosophie des Denkens in Reinigungsprozessen entsprechend stehen 116 PLUS 1 /2010

5 Kriterien wie das Erhöhen der Reinigungsqualität und der Prozesszuverlässigkeit im Vordergrund, gleichzeitig aber auch das Senken der Kosten pro gereinigtem Teil. Kurz: Die Chemie muss passen um einen stabilen Prozess zu generieren. Dr. Alexandra Rost ist davon überzeugt, dass das Produktrepertoire keine Wünsche offen lässt. Gegenüber herkömmlichen Tensidreinigern zeichnet sich die Hausmarke Fast (Fast Acting Surfactant Technology) durch schnelles Entfernen von Flussmittelrückständen aus bleifreien und bleihaltigen Pasten auf der Platinenoberfläche aus. Das speziell für Spritzanwendungen gedachte Medium basiert auf einer neuartigen Generation von Tensiden, die aus kurzen und beweglichen Molekülen bestehen, wodurch sich gleich mehrere Schmutzteilchen binden lassen. Den Siegeszug hat das Reinigungsmedium MPC (Micro Pace Cleaner) angetreten: Dabei handelt es sich um eine wasserbasierende Technik, welche die Vorzüge von Lösemitteln und Tensidsystemen vereint. Das Medium ist dadurch gut filterbar, erlaubt ein breites Prozessfenster, hinterlässt keine Rückstände auf Oberflächen und ermöglicht sehr lange Badstandzeiten. Jedoch müssen alle Prozessfaktoren wie Reinigungsanlage, Reinigungsmedium, Aufbereitungssystem und Prozessüberwachung aufeinander abgestimmt sein. Daher bietet der Hersteller individuelle Reinigungsversuche in seinem Technischen Zentrum an: Wahlweise kann der Anwender sein zu reinigendes Objekt einschicken oder sich von den entsprechenden Prozessen vor Ort überzeugen. Immerhin stehen im Technischen Zentrum alle Arten von Anlagen (z.b. Ultraschall, Spritzen, Batch- und Inline-Prozesse) von 35 Herstellern für Reinigungsversuche bereit. Die Reinigungsversuche werden anhand der Spezifikationen des Kunden in unterschiedlichen Prozessen gefahren, um herauszufinden, welcher Reiniger die besten Ergebnisse bei geringstmöglichen Kosten liefert. Die Analyse der Reinigungsergebnisse erfolgt im Analytiklabor und zwar gemäß internationaler Standards. Ein schriftlicher technischer Bericht mit Prozessempfehlung rundet den Service ab. Tab. 1: Gegenüberstellung der unterschiedlichen Reinigungssysteme von Zestron PLUS 1 /

6 Von links: Dr. Peter Koller, Dr. Alexandra Rost, Vladimir Sitko, Thomas Otto und Jens Hoefer Regelmäßige und ausführliche Tests mit den drei Kategorien von Reinigungsmedien Zestron (lösemittelbasierend), Vigon (wasserbasierend und tensidfrei) und Atron (wässrig-alkalisch) ergeben fundierte Erfahrungswerte zu derzeit 340 Flussmittelprodukten, 560 Lotpasten und 90 SMT-Klebern (Tab. 1). Der Erfolg spricht für sich: Nach eigenem Bekunden sind weltweit bereits 1500 Prozesse installiert, vermehrt in der Automobilindustrie, der Telekommunikation und der Medizintechnik. Die Expertin verwies zudem auf ökonomische Aspekte (Verbrauch, Entsorgung, Umwelt). Die Wasseraufbereitung ist ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor bei den Gesamt-Prozesskosten. Umweltschutz und Arbeitssicherheit spielen eine wichtige Rolle, zudem gilt es diverse Richtlinien zu beachten. Nicht ohne Stolz führte sie dabei die Konformität mit WEEE und RoHS an: Alle drei Kategorien entsprechen den Umweltschutzrichtlinien und sind frei von Giftstoffen wie Quecksilber, Cadmium und Blei. Aus der Praxis für die Praxis Das mittelständische Unternehmen PKS Group aus der Medizinhauptstadt Erlangen ist Partner von Factronix und bietet Dienstleistungen von Entwicklung über die Bestückung bis hin zur Feinstreinigung von Baugruppen an. Dr. Peter Koller, Geschäftsleitung von PKS Systemtechnik, berichtet, dass in seinem Hause jährlich rund Baugruppen gereinigt werden. Keine Frage, dass er von einem reichhaltigen Erfahrungsschatz profitiert. Zum Einsatz kommt standardmäßig das automatische Sprühreinigungssystem SuperSwash III von PBT. Alternativ stehen Ultraschallreinigung oder Handreinigung zur Verfügung. Als Reinigungsmedium nutzt der Dienstleister aus umweltschutz- und anlagentechnischen Gründen die wasserbasierten MPC-Reiniger von Zestron. Ein wiederkehrender Faktor ist, wie sich ein Prozess qualifizieren lässt. Fakt ist, dass verschiedene Chargen von Lötpaste und Flussmittel in ihren Bestandteilen variieren können. Hat also eine Reinigung bei einer bestimmten Baugruppe bislang 10 Minuten gedauert, kann durch die in der Toleranz befindliche Abweichung der Bestandteile die Reinigung länger ausfallen. Ein anderes Beispiel ist das Temperaturprofil beim Reflowlöten. Dieses unterliegt verschiedenen Einflussfaktoren, etwa einem unausgelasteten Ofen oder Verwirbelung des Luftstroms. Diese Einflüsse werden beim Reinigungsprozess sehr wohl sichtbar. Denn plötzlich werden schlechtere Ergebnisse erzielt. Als ganz heißes Eisen bezeichnet Koller die Lagerzeit zwischen Löten und Reinigen: Je länger der Abstand, umso schwieriger die Flussmittelrückstandsentfernung. Dies kostet wiederum viel Geld, weil die Reinigung länger dauert. Deshalb empfiehlt er Anwendern, sehr auf die Fertigungslogistik zu achten. So sollten beispielsweise Platinen mit wasserbasierten Flussmitteln spätestens nach drei Tagen bestückt werden, um beim Reinigungsprozess Kosten zu sparen. Schließlich sind die Reinigungskosten abhängig von den Maschinenkosten (Investition, Betriebskosten), Kosten für den Reiniger, Entsorgungskosten für Reiniger und Filter, Personalkosten und dem Durchsatz pro Stunde. Beim Besuch des Technischen Zentrums hatten die zehn Teilnehmer Gelegenheit, sich über die verschiedenen Reinigungsanlagen zu informieren. Vor allem die SuperSwash-Anlage von PBT rückte mit einem Praxiseinsatz in den Vordergrund: Mitgebrachte Druckschablonen und Baugruppen wurden hierbei gereinigt und die Ergebnisse anschließend analysiert. Die Interessenten konnten sich von der Wirkungsweise der verschiedenen Schnelltests im Analytiklabor überzeugen: Dr. Rost führte Fluxtests, Harztests, Organic-Layer-Test, Tintentest, Messen des ph-werts und die Reinigungskonzentration mittels Bath Analyzer vor. -mrc- Factronix, Waldstraße 4, D Alling, PBT Rožnov, Lesní 2331, CZ Rožnov pod Radhoštěm, PKS Group, Felix Klein-Straße 75a, D Erlangen, Zestron Europe, Bunsenstraße 6, D Ingolstadt, PLUS 1 /2010