Anwendung von 2K-Materialien

Gerd Schulze, Nordson Asymtek, Maastricht (Nl)

Die intensiven Diskussionen mit Herstellern und Anwendern haben gezeigt, dass durch den Einsatz von 2K-Materialien die gewünschten Materialeigenschaften erzielt werden können. Allerdings ist es zwingend erforderlich die besonderen Anforderungen hinsichtlich der Verarbeitung entsprechend zu berücksichtigen. Dies betrifft insbesondere die Dosier- und Beschichtungsverfahren, um auch geringe Volumina mit sehr großer Präzision in der normalen Fertigungsumgebung applizieren zu können.

Innovationen bei der präzisen und wiederholgenauen Applikation von 1K-Materialien haben die fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronikindustrie unterstützt. Demgegenüber sind 2K-Anwendungen bislang hauptsächlich auf solche Bereiche beschränkt gewesen, bei denen große Materialvolumen mit relativ geringer Präzision appliziert werden mussten (beispielsweise: kompletter Gehäuseverguss). So sind die heute verfügbaren Dosierventile für 1K-Systeme in der Lage, Punkte mit einer Masse von lediglich 0,02mg zu applizieren, während der kleinste Tropfen bei aktuellen 2K-Systemen noch in einem Bereich von ca. 1mg liegt. Offenbar gibt es eine technologische Lücke von mindestens einem Jahrzehnt zwischen diesen beiden Verfahren. Diese Lücke muss überbrückt werden, damit das erforderliche hochpräzise Dosieren, Jetten und Beschichten auch mit 2K-Formulierungen ermöglicht wird. Bis dies der Fall ist, wird es schwierig sein die positiven Eigenschaften der 2K-Materialien sinnvoll nutzen zu können und gleichzeitig auch die spezifischen Anforderungen der Elektronikindustrie zu erfüllen.

Zu den wichtigsten Aspekten bei der Prozessentwicklung gehört die Berücksichtigung der verfügbaren Technologien, der erforderlichen Prozessregelungen und der Zuverlässigkeit. Das beginnt bei der Verarbeitung von 2K-Materialen mit dem Mischen der beiden Komponenten, wo unbedingte Konstanz und Gleichmäßigkeit gefordert sind.

Obwohl es auch Hybridlösungen gibt, kann die Mischtechnologie grundsätzlich in zwei Verfahren unterteilt werden: statische und dynamische Verfahren. Das statische Mischen beinhaltet ein Mischrohr mit Spiralkern. Das Mischrohr besteht aus Gewichtsgründen häufig aus Kunststoff und ist in unterschiedlichen Längen verfügbar. Die Länge ist unter anderem abhängig vom Mischungsverhältnis, der Durchflussrate und ob beide Komponenten eine ähnliche Dichte aufweisen. Je niedriger diese Parameter sind, umso länger muss das Rohr sein, um ein korrektes Vermischen zu gewährleisten. In bestimmten Fällen ist es deshalb nicht möglich statische Mischverfahren einzusetzen. Der Vorteil des statischen Mischens liegt darin, dass der Mischer als Einweg-, bzw. Verbrauchsmaterial konzipiert ist. Nach Gebrauch wird er entsorgt und eine Reinigung kann entfallen. Dies ist durchaus vorteilhaft bei sehr geringer Topfzeit, aber die Anwendungsmöglichkeiten hinsichtlich Dosiervolumen und -genauigkeit entsprechen lediglich denen der normalen Nadeldosierung.

Das dynamische (oder aktive) Mischen beinhaltet ein besonders geformtes „Flügelrad“, um beide Komponenten beim Einströmen in die Dosierkammer effektiv und vor allen Dingen gleichmäßig miteinander zu vermischen. Das besonders homogene Vermischen ermöglicht das auch Anwendungen mit niedrigen Durchflussraten, verschiedenen Mischungsverhältnissen, oder Komponenten mit unterschiedlicher Dichte zuverlässig realisiert werden können. Dieses Konzept ermöglicht eine sehr kleine Bauform und ist damit für das Dosieren von kleinen Volumen ideal geeignet. Der dynamische Mischer ist jedoch kein Einwegartikel und muss demzufolge gereinigt werden. Wie häufig gereinigt werden muss, ist abhängig von der Topfzeit des jeweiligen Materials. In der Praxis kann das Reinigungsintervall durch spülen mit der Harzkomponente oder einem geeigneten Reinigungsmittel deutlich verlängert werden.

Bei kurzen Topfzeiten sind sowohl Verfahren, als auch Position des Mischers von wesentlicher Bedeutung. Bei der Dosierung von kleinen Volumen und einer dementsprechend sehr geringen Durchflussrate ist es unbedingt erforderlich das Volumen des bereits gemischten Materials so gering wie möglich zu halten. Die Position des Mischers sollte also in unmittelbarer Nähe zu dem Dosierventil sein. Bei hohen Durchflussraten mag es nicht unbedingt erforderlich sein, sofern ein gleichmäßiger Materialdruck und stets dieselbe Zeitspanne vom Mischen bis zur Anwendung gewährleistet werden kann.

Theoretisch lässt sich die Zeit vom Mischen der beiden Komponenten bis zum Erreichen des Dosierventils einfach anhand der Durchflussrate berechnen. In der Praxis spielen aber die Leitungsquerschnitte, Strömungsdynamik und andere Faktoren eine große Rolle und machen die Berechnung damit erheblich komplexer. Zudem wird der kontinuierliche Fertigungsprozess häufig durch externe Faktoren unterbrochen, wie beispielsweise durch Schichtwechsel, eine Funktionsstörung oder eine andere Unterbrechung der Produktionslinie. Deshalb wird allgemein empfohlen Materialien mit einer Topfzeit von 2 Stunden oder länger einzusetzen, um einen stabilen Prozess mit einem sinnvollen Verarbeitungsbereich zu ermöglichen. Die Reinigungs- und Wartungsintervalle stehen dabei in direktem Zusammenhang mit der Topfzeit.

Ein Inline-Mischverfahren ist dem (manuellen) externen Anmischen einzelner Chargen in jeder Hinsicht weit überlegen. Dadurch wird nicht nur das Verarbeiten von Materialien mit kurzer Topfzeit wesentlich erleichtert, sondern das Konzept des „spontanen Mischens“ ermöglicht auch die Zeitspanne vom Mischen bis zum Verbrauch so gering und konstant wie möglich zu halten. Dadurch bleibt innerhalb dieses Zeitfensters die Viskosität nahezu konstant, was zu einer präzisen und wiederholgenauen Anwendung beiträgt, da sich die weder die Benetzungs- noch die Fließeigenschaften nennenswert verändern.

Es gibt bereits zahlreiche Dosiertechnologien und -verfahren für die Verarbeitung von 1K-Materialien und auch in diesem Feld wird ständig weiterentwickelt. Es wäre natürlich wünschenswert wenn diese bewährten Technologien auch für 2K-Anwendungen genutzt werden können, wenn vergleichbare Anforderungen hinsichtlich Dosiervolumen, Präzision, Reproduzierbarkeit bestehen.

2K-Formulierungen können Vorteile hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften und ihrer unter Umständen kürzeren Aushärtungszeiten bis zum Erreichen der endgültigen dielektrischen Eigenschaften bieten. Darüber hinaus ermöglichen sie zusätzlich die Emissionen von VOC´s in erheblichem Umfang zu reduzieren, die Umweltbelastung zu reduzieren und gleichzeitig strengere Grenzwerte einzuhalten.

Auch wenn in der Vergangenheit 2K-Materialien nur in begrenztem Umfang innerhalb der Elektronikindustrie eingesetzt worden sind, stehen sie bereits für zahlreiche Anwendungen zur Verfügung, unter anderem auch als Schutzlacke. Darüber hinaus betrachten Materialhersteller 2K-Formulierungen als sinnvolle Möglichkeit, um die gestiegenen Anforderungen der Elektronikindustrie zu erfüllen und nicht zuletzt mit den passenden Materialeigenschaften auch eine weitere Miniaturisierung in diesem Bereich zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil der 2K-Materialien ist, dass die enormen Kosten, die bei den vorgemischten Produkten für das Einfrieren, den Versand mit Trockeneis und die aufwändige Lagerung bei bis zu –40°C, komplett entfallen können. Die Kosten und die erforderliche Logistik für die Handhabung von gefrorenen Materialien kann inzwischen sogar die reinen Materialkosten deutlich übersteigen.

Eine wesentliche Einschränkung für den Einsatz von 2K-Materialien ist die bislang fehlende Dosier- und Beschichtungstechnologie gewesen, um auch diese Medien in der erforderlichen Präzision und Genauigkeit, sei es in Form von kleinen Punkten, feinen Linien, oder aber als komplexe vollflächige Beschichtung, verarbeiten zu können. Diese Einschränkungen bestehen durch die Entwicklung von neuen, dynamischen Inline-Mischverfahren nicht mehr, da jetzt auch kleine Volumen automatisch und spontan für die Dosierung und Beschichtung zur Verfügung gestellt werden können. Um die interessanten Eigenschaften der 2K-Materialien in der Elektronikfertigung optimal nutzen zu können, bietet es sich an dieses Thema genauer zu untersuchen und neu zu bewerten.