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Die Reinigung von Elektronik-Baugruppen ist unverzichtbar

EN FR BR Schlagwörter: Reinigung

Die Reinigung ist ein unverzichtbarer Prozessschritt bei der Herstellung elektronischer Baugruppen. Sie findet seit vielen Jahren Anwendung, um Verunreinigungen, die in den einzelnen Stufen des Produktionsprozesses auftreten, rückstandsfrei zu entfernen. Diese Verunreinigungen beinhalten Flussmittel und deren Rückstände, Löt- und Klebstoffrückstände und andere Verunreinigungen wie Staub und diverse Ablagerungen, die in Folge der verschiedenen Produktionsprozesse zurückbleiben. Der Prozess der Reinigung hat in der schnell wachsenden Elektronikindustrie zentrale Bedeutung. Er bestimmt wesentlich die Lebensdauer von Produkten und erhöht deren Ausfallsicherheit. Die elektrischen Kennwerte der elektronischen Baugruppen werden im Zuge der Reinigung verbessert. Ziel ist es, dass keine Rückstände zurückbleiben, welche später zur Ausbildung von Kriechstromstrecken führen könnten. Aktuelle Trends wie Miniaturisierung und Erhöhung der Packungsdichte sind Triebfedern in Bezug auf den Anspruch an höchste Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Baugruppen. Um die damit verbundene Forderung nach guten Isolationswiderständen zu erreichen, ist eine einwandfrei gereinigte Elektronik-Baugruppe unverzichtbar. Nur wenn alle Hersteller von Flussmitteln, Klebstoffen, Reinigungschemikalien, Reinigungsgeräten und Elektronik-Ingenieure zusammenarbeiten, kann ein optimales Reinigungsergebnis erreicht werden.

Im Prozess der Produktion gibt es viele Phasen, welche eine Reinigung notwendig machen, z.B. vor dem Bestücken oder Löten, um alle Verunreinigungen der vorherigen Produktionsphasen zu entfernen, nach dem Bestücken, um überschüssigen Klebstoff zu entfernen und nach dem Löten, um korrosive Flussmittelrückstände und überschüssige Lotpaste zu entfernen. Gegenwärtig wendet sich eine Reihe von EMS-Anbietern einem sogenannten „No-Clean“-Prozess zu und unterstellt damit, dass eine Reinigung nach dem Löten nicht notwendig ist. Im „No-Clean“-Prozess ist der Feststoffanteil des Flussmittels niedriger als bei herkömmlichen Ausführungen. Die Flussmittel enthalten jedoch immer noch Harz und Aktivator, die dann vor dem nächsten Prozess, z.B. dem Beschichten/Einschließen der Leiterplatte, nicht entfernt werden. Solche Rückstände, die sich zusammen mit anderen unerwünschten Elementen, auf Grund der nicht durchführten Reinigung, angesammelt haben, können bezogen auf die Haftung Probleme verursachen und möglicherweise die Funktionen des schützenden Mediums, das aufgetragen wird, beeinträchtigen. Daher muss festgehalten werden, dass selbst mit den Fortschritten in den neuen Technologien wie „No-Clean“-Flussmittel, die Reinigung immer noch ein ganz wesentlicher, in der Regel mehrstufiger Arbeitsablauf in der Elektronikindustrie bleibt. Nicht zu vergessen, die ebenfalls notwendigen Prozessschritte der Reinigung im Zusammenhang mit der Entfernung von Schutzlacken und Klebstoffen, aber auch bei anfallenden Nacharbeiten, sowie die Reinigung von Komponenten und Wartung von Fertigungslinien.

Generell gibt es zwei Hauptkategorien der derzeit erhältlichen Reinigungsmittel, lösungsmittelbasierende- und wasserbasierende Reinigungsmittel. Bis noch vor Kurzem haben lösungsmittelbasierende Reiniger wie 1,1,1-Trichlorethan- und 1,1,3-Trichlorotrifluorethan den Markt bestimmt. Sie wurden jedoch auf Grund ihrer ozonschädigenden Wirkung durch eine vielseitigere Palette von Lösungsmittel-Reinigern ersetzt. Diese Kategorie unterteilt sich nun in drei 3 Untersektionen: brennbare Lösungsmittelreiniger, nicht brennbare Lösungsmittelreiniger und nicht brennbare, halogenhaltige Lösungsmittelreiniger wie HFC und HFE. Alle drei Reinigergruppen haben ihre Vor- und Nachteile. Übergreifend aber, können Lösungsmittel-Reiniger als schnell verdunstende, einstufige Reiniger bezeichnet werden. Sie erfordern spezielle Ausrüstung und Absaugung, um vor Toxizität und anderen möglichen Gefahren zu schützen.

Wasserbasierende Reiniger wurden entwickelt, um ozonschädigende Chemikalien zu ersetzen und gleichzeitig die Emissionen von Lösungsmitteln zu reduzieren. Die wasserbasierenden Reiniger haben einige Vorzüge vor lösungsmittelbasierenden Reinigern. Dazu gehört u.a., dass sie nicht brennbar sind, sehr geruchsarm und einen niedrigen bis gar keinen VOC-Gehalt haben. Weiterhin verfügen sie über eine geringe Toxizität. Es gibt viele Reinigungsanwendungen, die von der verfügbaren Art der Ausrüstung abhängen. Es ist entscheidend, den richtigen wasserbasierenden Reiniger für die entsprechende Anwendung zu finden, sei es für Ultraschall-, Tauchsprüh- oder Spülmaschinenanwendung. Wasserbasierende Reiniger sind oft komplexer als ihre lösungsmittelbasierenden Gegenstücke. Sie nutzen Tensidtechnologien zur Entfernung von Verunreinigungen auf einer Leiterplatte, indem sie die Oberflächenspannung an den Trennungsflächen reduzieren und sie in einer Lösung außer Kraft setzen oder emulgieren. Alternativ gibt es wasserbasierende Flussmittelentferner, die mit Esterspaltung arbeiten und die Flussmittelsäuren neutralisieren. Der einzige große Nachteil wasserbasierender Reinigungsmittel besteht darin, dass sie mehrere Phasen durchlaufen müssen, um den Reinigungsprozess abzuschließen, u.a. einen 2-phasigen Spülungsprozess und eine abschließende Trocknungsphase. Schließlich gibt es noch eine neuere Art wasserbasierender Reinigungsmittel, die tensidfrei sind. Diese Reiniger basieren auf Glykol und verbinden die Vorteile von wasserbasierenden und lösungsmittelbasierenden Reinigungsmitteln, die nur eine geringfügige Spülung notwendig macht.

Da sich der Markt für Reinigungsprodukte immer weiter entwickelt, um den wachsenden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden, ist es wichtig, dass der Grad der Sauberkeit klar definiert wird. Ein bedeutender Anteil möglicherweise schädigender Flussmittelrückstände und Verschmutzungen ist weder mit bloßem Auge noch durch Vergrößerung erkennbar. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass die richtige Methode angewandt wird, um sicherzustellen, dass der Grad an Reinigung erreicht wird, der durch den Elektronikingenieur als Standard festgelegt wird. Es gibt zwei Arten von Rückständen, ionische und nichtionische, und es gibt eine Anzahl von Methoden, den Grad der Verschmutzung nach einer Reinigung zu messen und den Begriff „rein“ exakt zu beschreiben.

Nichtionische Rückstände wie Harze, Öle und Fette, die nach der Leiterplattenproduktion oder -bestückung zurückbleiben, sind nicht leitfähig und normalerweise organischer Natur. Sie verfügen über isolierende Eigenschaften, was zu Problemen führen kann, wenn Steckkontakte oder Steckverbinder auf Leiterplatten eingesetzt werden. So kann es zu schlechter Haftung von Lötmasken, Schutzlacken und Vergußmaterialien kommen und auch ionische Verschmutzungen und fremde Ablagerungen können eingeschlossen werden.

Als ionische Verschmutzungen gelten üblicherweise Flussmittelrückstände oder schädliche Materialien, die nach dem Löten zurückbleiben. Wasserlösliche organische und nicht-organische Verbundstoffe können in einer Lösung gelöst werden, da Ionen die allgemeine Leitfähigkeit dieser Lösung erhöhen. Das kann die Funktionssicherheit der elektronischen Kompoenten und Baugruppen herabsetzen, da sie zur Bildung von Kriechstromstrecken beitragen können. Im Zuge der auftretenden Korrosion können sich unter Einfluss elektrischer Felder sogenannte Dendriten entwickeln. Wo vorhanden, beeinflussen sowohl ionische als auch nicht-ionische Verschmutzungen den Betrieb und die Funktionssicherheit eines Gerätes. Ionische Verschmutzungen führen jedoch zu einer größeren Anzahl von Ausfällen.

Es gibt verschiedene Methoden, um den Grad von ionischer und nicht-ionischer Verschmutzung zu kontrollieren. Die einfachste Methode, die sich für beide Arten von Rückständen eignet, ist die visuelle Inspektion. Obwohl diese Methode keine mengenmäßigen Angaben bietet, sollte sie dennoch immer mit anderen Messmethoden angewandt werden. Zur Qualitätskontrolle sollte eine Vergrößerung um das 10-15-fache ausreichend sein, um Informationen über den Produktionsablauf, die Abwicklung und Verpackung sowie den Umgang mit Verschmutzung zu liefern.

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Außer der optischen Inspektion gibt es keine einfachen Methoden, nicht-ionische Rückstände zu messen. Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) ist die meistgenutzte analytische Methode, um rasch die exakte Identität einer Verschmutzung zu bestimmen. Die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und UV/VIS-Spektroskopie können angewandt werden, um Harzrückstände zu identifizieren. Rasterelektronenmikroskopie (REM), Energiedispersive Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX) und die Auger Analyse sind auch für die Feststellung von Rückständen und Verschmutzungen auf einer Leiterplatte geeignet und jede Methode hat spezifische Vorteile. Die Ausrüstung, die bei dieser Art von Versuchen benötigt wird, ist kostenintensiv und benötigt ein hohes Maß an Wartung. Daher wird sie selten in Produktionsumgebungen eingesetzt.

Eine übliche Methode, um den Grad der ionischen Verunreinigung zu messen ist der Widerstand von Lösungsmittelextrakten (ROSE), auch bekannt als Leitfähigkeit von Lösungsmittelextrakten (SEC). Die Theorie von ROSE ist, dass die Ionen-Konzentration in einer Lösung ansteigt und der Widerstand abnimmt. Einfach automatisierte Versionen des ROSE-Tests, der Omegameter, Ionograph oder Zerolon werden von einigen Firmen, die elektronische Baugruppen herstellen, für die Qualitätskontrolle eingesetzt. Der Industriestandard, IPC-TM-650 setzt eine Lösung von Isopropanol und deionisiertem Wasser ein, um Verschmutzungen zu extrahieren, während eines der Messgeräte die Veränderung in der Leitfähigkeit misst. Diese Testmethode wird allgemein akzeptiert und bietet schnelle Ergebnisse. Sie kann aber nur eingeschränkte Ergebnisse liefern. Ursprünglich wurde für diese Methode ein kostengünstiges, fertig einsetzbares Lösungsmittel (IPA) eingesetzt, um Rückstände von traditionellen harzbasierenden Flussmitteln zu testen. Der Anwendungsbereich dieser Methode ist mittlerweile jedoch überholt und warnt Nutzer nicht vor möglichen Veränderungen, die aus nicht lösbaren Rückständen resultieren. Die veränderten Anforderungen an den Reinheitsgrad bestimmt auch die Entwicklung der Reinigungsmittelindustrie. Bisher wurde den o.g. CFC-113 Typenreinigern per ANSI/J-STD-001 ein anerkanntes Limit von 1,56μg/cm2 (10µg/in2), gleichbedeutend mit NaCl, zugewiesen. Heutzutage erreichen die meisten Baugruppen einen Level, der weit niedriger liegt, normalerweise im Bereich zwischen 0-1µg/in2. Diese Methode kann außerdem nur ionische Verschmutzung messen, ohne dass jedoch genau definiert werden kann, wo und was die Verschmutzung ist.

Zwei weitere Methoden, die wertvolle Daten liefern sind die Messung des Oberflächen-Isolationswiderstands (SIR) und die Ionen-Chromatographie (IC). Erstere misst die Veränderung der elektrischen Stromstärke über einen gewissen Zeitraum über eine überlappende Kammstruktur-Leiterplatte und wird normalerweise bei ansteigenden Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden ausgeführt. Die Anwesenheit von Verschmutzung reduziert den Isolationswiderstand des Materials zwischen den Leiterbahnen. Die Ionen-Chromatographie (IC) ist eine neuere Methode zur Reinheitsermittlung, die eingesetzt werden kann, um spezifische ionische Arten, die sich auf einem elektronischen Gerät befinden, zu identifizieren und zu quantifizieren. Die Testmethode gibt Aufschluss über eine spezifische Liste ionischer Rückstände, die dann mit spezifischen Mitteln entfernt werden können. Eine nachfolgende Analyse der Flüssigkeit kann die Rückstände trennen, identifizieren und quantifizieren. Die Behandlung und Vorbereitung des Trägermaterials für diese Methode sind kritisch und machen sie besonders kostenintensiv und zeitaufwändig. Daher wird sie nicht für allgemeine Qualitätskontrollen angewandt, sondern als spezifischere, analytische Technik.

Die effektive Reinigung von Leiterplatten und den dazugehörigen Komponenten ist ein grundlegender Bereich in der Elektronikherstellung. Sie erhöht die Verlässlichkeit von Baugruppen und erlaubt das zuverlässige Beschichten und Einschließen von Baugruppen. Das ausgewählte Reinigungsmittel hängt zum größten Teil von den Herstellungsbedingungen ab. Die richtige Anwendungsmethode und Konfiguration ist zwingend notwendig, um eine erfolgreiche Reinigung zu erreichen, egal, ob es sich nun um lösungsmittelbasierende oder wasserbasierende Reinigungstechnologie handelt. Viele Spezifikationen wurden für die Reinheitsermittlung dargestellt, der Industriestandard ist jedoch IPC TM-650. Er beschreibt Methoden für viele der Reinigungstests, die oben beschrieben sind und gibt exakte Anleitung für die Analyse. Es ist klar, dass einige Methoden kostenintensiv und eher zeitaufwändig sind. Sie können jedoch äußerst genaue Daten über die Art, Position und Menge der Rückstände geben. Andere weniger intensive Methoden können für schnelle, effiziente Qualitätskontrollen eingesetzt werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Wahl des geeignetesten Reinigungsprozesses, der schlußendlich zum erforderlichen Reinheitsgrad führt, der Schlüssel zur maximalen Verlässlichkeit bei geringem Kostenaufwand ist.