Automatisiert und exakt gesteuerte Durchflussmenge

Gerd Schulze, Nordson Asymtek, Maastricht (Nl)

Allerdings stand die Elektronikindustrie, die hauptsächlich relativ kleine Materialvolumen verarbeitet, dieser Lösung in der Vergangenheit skeptisch gegenüber und hat 2K-Formulierungen praktisch ausschließlich nur für solche Prozesse akzeptiert, bei denen relativ große Materialvolumen dosiert werden mussten. Diese Veröffentlichung basiert auf allgemeinen Daten der Industrie und erläutert mit einem neuen Konzept die Vor- und Nachteile, sowie die Anforderungen für den sinnvollen Einsatz von 2K-Anwendungen für automatisierte Dosier- und Beschichtungsaufgaben innerhalb der modernen Elektronikfertigung.

Bei jeder einzelnen Anwendung ist es sinnvoll alle beteiligten Komponenten, wie beispielsweise zu verarbeitendes Material, benötigte Produktionsausrüstung und bestehende Prozessanforderungen als eine zusammengehörige Einheit zu betrachten. Aus diesem Grund ist es naheliegend, zwischen Dosiermaterialien und Schutzlacken und deren Eigenschaften, den einzusetzenden Produktionsanlagen und deren Eigenschaften für die jeweilige Aufgabenstellung zu unterscheiden. Dadurch kann eine Lösung entwickelt werden, die optimal für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet ist. Diese Vorgehensweise gewährleistet, dass die an die Materialien und Produktionsanlagen gestellten Anforderungen erfüllt und zusätzlich auch die Belange der Produktionsumgebung berücksichtigt werden. Diese Vorgehensweise berücksichtigt sowohl die Belange der Fertigung, als auch der organisatorischen Struktur.

Das Thema Dosierung wird in Diskussionen zur Elektronikproduktion und zu technischen Themen häufig vernachlässigt. Allerdings können die verwendeten Materialien sprichwörtlich als „Kleber“ dienen, der die Konstruktion der jeweiligen Komponente, des Gerätes oder der Baugruppe abschließt. Die Medien können zudem für die Wärmeableitung, die optische Filterung, zur Abdichtung oder für den Schutz gegenüber Umwelteinflüssen verwendet werden und tragen dadurch zu einer höheren Zuverlässigkeit der (fertigen) Baugruppe bei.

Die flüssigen oder pastösen Materialen die in der Elektronikfertigung eingesetzt werden, umfassen üblicherweise Lotpasten, SMD-Klebstoffe, Wärmeleitpasten, Silber-Leitkleber, Underfill, optische Bonding-Materialien und Filter, Verguss-Materialien, Markierung und Maskierung und vieles andere mehr. Die Anwendung dieser Medien erfolgt in der Regel in relativ kleinen Volumen und wird als Dosierung bezeichnet. Zum Einsatz kommen hierbei Nadel-Dosierverfahren, oder aber die kontaktlos arbeitende Jetting-Technologie, wenn engere Platzverhältnisse, geringere Toleranzen oder höhere Durchsätze erforderlich sind.

Neben den oben genannten Materialien werden auch unterschiedliche Lacke zum Schutz der Elektronik gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Chemikalien, Feuchtigkeit oder anderen Verunreinigungen verwendet. Diese Lacke werden als Schutzlacke oder Conformal Coating bezeichnet. Gegenüber den klassischen Dosierungen sind die Materialvolumen in diesem Fall etwas höher und werden üblicherweise mit dem SelectCoat-Verfahren, oder aber mit Sprüh-, bzw. Nadeldosierventilen aufgetragen.

Innerhalb der Elektronikindustrie lässt sich eine kontinuierliche Entwicklung zur weiteren Miniaturisierung von Komponenten und Baugruppen bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an deren Leistung feststellen. Dadurch werden in der Serienfertigung immer höhere Ansprüche an die Eigenschaften der verwendeten Materialien gestellt. Diese Anforderungen beziehen sich unter anderem auf Haftvermögen und Haftfestigkeit, maximale Temperaturbeständigkeit, zyklische Temperaturwechsel, chemische Beständigkeit, mechanische Festigkeit, Reduzierung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs), sowie auf die Verringerung der Aushärtungszeiten und der Betriebskosten. Dieses Anforderungsprofil kann von den heute verwendeten 1-komponentigen Materialien nur unzureichend erfüllt werden.

Dieser Umstand scheint kurzfristig auf eine Situation hinauszulaufen, bei der die Materialien, die den zunehmend komplexeren Spezifikationen entsprechen, nicht verfügbar sein werden. Die Lösung in Form von 2K-Formulierungen werden zwar schon länger eingesetzt, sind in ihrer Anwendung jedoch häufig auf manuelle oder semi-automatische Prozesse beschränkt.

Einige der momentan verwendeten Materialien werden von der Industrie zwar als 1K-Produkt betrachtet, tatsächlich handelt es sich dabei jedoch um vorgemischte und eingefrorene 2K- Formulierungen, dies gilt beispielsweise für die meisten Underfills und Silber-Epoxy´s. Die Handhabung dieser Materialien ist nicht nur mit hohen Kosten verbunden, da diese konstant bei bis zu –40 Grad Celsius gelagert werden müssen, sondern erfordert auch komplexe Produktionsabläufe im Bereich der Unternehmenslogistik, um die korrekte Handhabung, den Auftauablauf und den Verbrauch innerhalb der erforderlichen Zeitspanne zu gewährleisten.

Vielfach herrscht die Meinung vor, dass es sich bei der Lösung dieser Problematik um eine Zwickmühle zu handeln scheint. In der Elektronikindustrie werden die guten Eigenschaften der 2K-Materialien zwar anerkannt, dem gegenüber stehen jedoch die Komplexität bei deren Verarbeitung und die bislang nicht zur Verfügung stehende Automatisierung. Die Entwicklung von 2K-Materialien hat nur in begrenztem Umfang stattgefunden, da es bislang keine vernünftige Lösung für einen vollautomatischen Prozess in der modernen Massenfertigung gegeben hat. Andererseits hat die Verfahrenstechnik nicht die erforderlichen Anlagen für das vollautomatische Mischen und Dosieren von 2K-Materialien entwickelt, da geeignete Formulierungen nur in sehr begrenztem Umfang verfügbar gewesen sind. Die 2K-Prozesse wurden also von beiden Seiten nicht mit dem notwendigen Nachdruck verfolgt. Hinzugekommen ist, dass die Anwender mit den bestehenden Verfahren zumindest teilweise negative Erfahrungen gemacht haben. Die Industrie würde einen erheblichen Nutzen aus der Lösung dieser Situation gewinnen können und die bisherigen Ansicht zu den 2K-Formulierungen möglicherweise revidieren.

Nordson Asymtek hat verschieden Verfahren für das Mischen und Dosieren dieser Materialien untersucht. In Gesprächen mit den Herstellern wurde das Potenzial dieser Materialien diskutiert und auch die Vorteile, Nachteile, der Nutzen und die künftigen Möglichkeiten besprochen. Es ist Zeit, neue Wege zu gehen und der Elektronikindustrie eine praxisgerechte Möglichkeit für die Dosierung und Beschichtung von 2K-Materialien zu bieten. Dabei steht natürlich im Vordergrund, dass die gleiche Genauigkeit, Präzision, Wiederholbarkeit und Geschwindigkeit wie bei 1K-Systemen ermöglicht wird. Diese Gespräche haben wesentlich dazu beigetragen besser zu verstehen, wie 2K-Materialien die Anforderungen der Elektronikindustrie erfüllen und in ein praxisgerechtes Konzept umgesetzt werden können.

Den zweiten Teil mit detaillierter Info über Materialien für Dosierung und Beschichtung finden Sie in unserer nächsten Ausgabe EPP 9–2014.

„Es ist an der Zeit, diese Blockade zu durchbrechen und der Elektronik-Fertigung die Möglichkeit zu geben, um Zwei-Komponenten Materialien praxisgerecht zu Dosieren oder als Schutzlack aufzutragen …“