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Der Trend geht zur maschinellen Reinigung

Workshop zur Reinigung in der Elektronikfertigung
Der Trend geht zur maschinellen Reinigung

In Zusammenarbeit mit der tschechischen Firma PBT Roznov hat Factronix im April im Zestron-Technikum in Ingolstadt einen Praxis-Workshop zum Thema „Reinigung in der Elektronikfertigung“ veranstaltet. Die 24 Teilnehmer aus dem gesamten Bundesgebiet und dem benachbarten Ausland erfuhren dabei alles über die verschiedenen Methoden zur professionellen Reinigung von Baugruppen, Substraten, Druckschablonen oder Kondensatfallen. Erstklassige und erfahrene Referenten aus den Bereichen Automatisierung, Chemie und Elektronikfertigung zeigten den Weg zur Auswahl geeigneter Reinigungsverfahren und Reinigungsanlagen. Auch wurden Testmethoden und ökonomische Aspekte erörtert. Es bestand die Möglichkeit, mitgebrachte Objekte im Technikum testen zu lassen. Ein kurzer Rückblick:

Zu Beginn der zweitägigen Veranstaltung standen die Firmenvorstellungen der beteiligten Unternehmen. “Unser Ziel ist es, die gesamte Bandbreite des Lötens abzudecken und durch intensive Recherche und genaue Marktbeobachtung Trends frühzeitig zu erkennen. Als Kunde sollen Sie von diesem Wissen profitieren, dazu stehen wir bei der Optimierung bestehender Fertigungsstrukturen und der Einführung neuer Prozesse unterstützend zur Seite”, sagt Jens Hoefer, Gesellschafter und alleiniger Geschäftsführer der Factronix GmbH, aus Alling bei München. Der Firmenuntertitel „Systeme für die Elektronikfertigung“ kündigt es bereits an: Der Ausrüster für die Elektronikindustrie ist spezialisiert auf den gesamten Bereich des Lötens und der angrenzenden Prozesse wie Reinigen, Bestücken, Rework und Inspektion. Hoefer kann auf eine mehr als 20-jährige Erfahrung auf diesem Gebiet zurückgreifen. Das Portfolio seiner 2007 gegründeten Firma umfasst neben Verbrauchsmaterial wie Lötpaste, Draht und Flussmittel (von Qualitek), insbesondere auch Reinigungssysteme des Herstellers PBT Roznov, Reparatur-Dienstleistungen von Retronix sowie Geräte von OK International, Weller, Hakko, JBC und TopLine. Für Hoefer ist die professionelle Reinigung in der Elektronikfertigung einer der wichtigsten Faktoren, um die Zuverlässigkeit des gesamten SMD-Prozesses deutlich zu steigern. “Wir sprechen hier nicht nur von der Reinigung von Baugruppen, sondern insbesondere von der maschinellen Reinigung von Schablonen und Fehldrucken, denn hier schleichen sich schon die ersten Probleme ein, die zu schlechter Lötqualität und teurem Rework führen”, sagt er und ist sich sicher: “Was heute in der Halbleiterindustrie Standard ist, wird morgen garantiert zum absoluten Muss bei der Baugruppenfertigung.“

Langjährige Erfahrung
Seine Firma begleitet die Reinigungsapplikationen seiner Kunden von der Erstanalyse bis hin zur Installation und Wartung der Systeme. Seit April 2007 ist Factronix Vertriebspartner für die Reinigungsanlagen von PBT Roznov. Die langjährige Erfahrung der Mitarbeiter bei Factronix sei ausschlaggebend zu dieser Wahl gewesen, sagt Vladimir Sitko, Geschäftsführer der PBT Roznov. Sein Unternehmen fertigt seit 1992 Maschinen für die Elektronik-Produktion. Anfangs als schweizerisch-tschechischer Zusammenschluss gegründet, befindet sich die Firma seit 2006 in rein tschechischem Besitz. Dies gilt auch für das 2000 gegründete Schwesterunternehmen MEAS s.r.o. als Entwicklungs-, Innovations- und Produktions-Zentrum. Entwicklung, Design und Montage erfolgen somit unter einem Dach. Bei PBT Roznov kann man für alle Reinigungsverfahren und für jede Anwendung das passende Konzept finden. Das Unternehmen erwirtschaftet mit seinen 75 Mitarbeitern einen Jahres-Umsatz von 12 Mio. US-Dollar. Es ist in Roznov pod Radhostem (p.R.) im Osten der Tschechischen Republik beheimatet, nahe der Grenze zu Polen und zur Slowakei. Der internationale Flughafen von Ostrava-Mosnov (OSR) ist in 45 Minuten zu erreichen und die Autobahn führt über Prag und Brünn (Brno) nach Deutschland oder Österreich. Das im November 2002 neu bezogene Firmengebäude verfügt über 2.500 m2 auf zwei Etagen. In ihm sind das Vertriebs- und Schulungszentrum, das Entwicklungszentrum, der Service, die Labors, Aufenthaltsräume, Büros und das Lager untergebracht. Und selbstverständlich beherbergt es auch die Produktion. Hier erfolgt die Montage der Reinigungsanlagen und hier steht die Montagelinie für Schablonendrucker. „Ein Großteil der Essemtec-Drucker kommt von uns“, sagt Sitko nicht ohne Stolz. Erst kürzlich habe sein Unternehmen ein komplettes SMD-Werk für hochkomplexe Telekom-Baugruppen aufgebaut und schlüsselfertig übergeben. Zusätzlich kümmert sich sein Unternehmen um die perfekte Projektierung, Logistik und die Prozessbegleitung. Weltweit wurden inzwischen mehrere hundert Reinigungsanlagen in etwa 20 Ländern in Europa, Asien und USA installiert. Entsprechend breit sind Service und Support strukturiert. Neben der Konstruktion von Reinigungsanlagen führt PBT ein komplettes Spektrum an Maschinen, Werkzeugen und Verbrauchsmaterialien für die Baugruppen-Montage. Neben der Maschinenfertigung betreibt PBT auch ein Entwicklungszentrum, in dem zusammen mit der TU Brünn bereits seit längerer Zeit die Prinzipien verschiedener Reinigungsmechanismen untersucht werden. Die weitreichenden Erkenntnisse der gesamten Reinigungsproblematik sind Grundlage für die hohe Effizienz, die kurzen Prozesszeiten und den geringen Energie- und Medienverbrauch der PBT Reinigungsanlagen.
Das Technikum von Zestron ist zugleich Analyse- und Demonstrationszentrum zur Evaluierung geeigneter Reinigungsprozesse. Prozessdenken statt Produktverkauf gehört zu den Prinzipien des Unternehmens. Dr. Helmut Schweigart von Zestron, Ingolstadt, führt aus: „Unser Kerngeschäft ist die Reinigung harter Oberflächen im Bereich Elektronik, Feinmechanik und bei optischen Komponenten.“ High Precision Cleaning ist ein Bereich der Dr. O. K. Wack Chemie GmbH, die in ihrer Consumer-Sparte Reinigungsprodukte zur Auto- und Zweiradpflege herstellt. Nach ersten Schritten in Mannheim wurde Zestron 1975 von Dr. O. K. Wack in Ingolstadt gegründet. “Wir bieten Lösungen rund um die Elektronikproduktion vom Semicon-Backend-Bereich bis hin zur SMT-Fertigung.“ Hierbei handelt es sich um Lösemittel- und wasserbasierende Prozesse für jede Anwendung in der Elektronikindustrie.
Grenzen von No-Clean
Den Einführungsvortrag über Reinigungsbedarf in der Elektronikfertigung hielt Dr. Schweigart. Schwerpunkte seiner Präsentation waren: Grenzen der No-Clean-Fertigung, Ausfallmechanismen, Selektivlöten und -reinigen sowie die Reinigung unter Bauelementen. Er ging zunächst der Frage nach, wann denn überhaupt Reinigungsbedarf entsteht. Dies ist bei Nachfolgeprozessen wie dem Bonden oder beim Lackieren (Conformal Coating) erforderlich und wenn eine bestimmte Lebenszeit garantiert werden muss. Auch bei Hochfrequenz-Schaltungen sind die Grenzen der No-Clean-Fertigung schnell erreicht. Eindeutig geregelt ist es im Militär- und Luftfahrtbereich. Hier gilt die Vorschrift: Es ist zu reinigen! Ebenfalls zwingend gereinigt werden muss bei sicherheitsrelevanten Baugruppen, wenn Menschenleben gefährdet werden könnten. Von der Baugruppenreinigung in Schablonenreinigungsanlagen rät er ab. Es sei nicht ideal, Baugruppen und Schablonen in ein und derselben Anlage zu reinigen. „Schablonen haben andere Anforderungen als Baugruppen, die gereinigt werden sollen und umgekehrt.“ Mechanismen des Reinigungsprozesses sind neben der eigentlichen Reinigung (Lösen der Schmutzpartikel) und der Spülung (Entfernen des Reinigers und der Verschmutzung) auch die Trocknung der sauberen Baugruppe nach der Reinigung. „Die Trocknung ist ein ganz wesentlicher Prozessschritt“, so Dr. Schweigart.
Er kam auch auf die Veränderungen durch Bleifrei zu sprechen. Mehr und aggressivere Aktivatoren führen zur Korrosionsgefahr bei Anschlusskontakten und es besteht die Gefahr von Kriechströmen. Der höhere Kolophoniumanteil führt zur Rissbildung bei Coatings, zu Bitfehlern bei HF Schaltungen und beeinträchtigt die Testbarkeit. Silberhaltige Lotpasten weisen eine Neigung zur Bildung temporärer Dendriten auf, und eine erhöhte Löttemperatur gibt mehr Rückstände durch Ausgasen und das Flussmittel wird stärker eingebrannt. Schweigart resümiert: „Hinsichtlich Bleifrei haben wir Drop-in-Lösungen für die Reinigung von Lotpasten. In Einzelfällen sind Prozessanpassungen notwendig und wir sehen ganz klar einen Trend zurück zu Reinigungsanwendungen, weil Verunreinigungen auf der Oberfläche vorhanden sind.“
Vielfach werden Schablonen aus Kostengründen noch manuell gereinigt. “Das hat aber Nachteile“, sagt Dr. Schweigart. Es gibt keine reproduzierbaren Ergebnisse, keinen spezifizierten Prozess; Reste von Reinigungsutensilien (z. B. Fussel) verbleiben in den Aperturen; mechanische Beschädigungen treten auf; die manuelle Reinigung ist für schwierige Geometrien nicht geeignet, sie ist arbeitsaufwändig und es gibt den direkten Kontakt von Reiniger zu Operator. Bei der maschinellen Reinigung entstehen zwar Kosten für die Anschaffung einer Reinigungsanlage. Die Vorteile überwiegen jedoch: Es gibt reproduzierbare Ergebnisse und einen spezifizierten Prozess; sie ist besonders für schwierige Geometrien geeignet; es kommt zu keinen Beschädigungen der Schablone; es gibt nur geringe Emissionen am Arbeitsplatz und der Arbeitsaufwand ist gering. Sein Fazit: Aufgrund der erhöhten Schablonenlebensdauer rechnet sich der Anlageninvest.
Vorteile der maschinellen Reinigung
Jens Hoefer sprach über die Vorteile der maschinellen Reinigung. Häufig werde das Reinigen als Kostentreibender, optionaler Faktor betrachtet. Das sei ein Irrtum! Zu geringe Sorgfalt bei der Reinigung von Baugruppen, Werkzeugen und Maschinen koste deutlich mehr Geld! Beispiel: Einige Tools sind so empfindlich und teuer, dass eine manuelle Reinigung in kurzer Zeit unweigerlich zu Beschädigungen führt (z. B. PumpPrint-Schablonen). Ungenügend gereinigte Schablonen führen zu Problemen beim Pastendruck. Das Resultat ist eine hohe Fehlerquote nach dem Löten – mit der Notwendigkeit zum Rework. Hoefer warnt: „Wir kennen noch nicht die Langzeiteffekte, die bei No-Clean-Produkten entstehen. Dies kann zu einer extremen Kostenfalle werden.“
Als Gründe für die maschinelle Reinigung von Baugruppen gelten erstens, die kosmetische Reinigung. Gemäß IPC können weiße Rückstände, die nicht aktiv sind, auf der Platine verbleiben. Zweitens, die ionische Reinigung: Geräte, die mit Kondenswasser in Berührung kommen können, müssen frei von ionischer Verunreinigung sein. Baugruppen, die lackiert werden, müssen zuvor gereinigt werden. Drittens, Reinigung als fester Prozess-Bestandteil: Beim Draht-Bonden müssen die Kontaktflächen frei von jeglichen organischen Rückständen sein. „Der hier geforderte Reinheitsgrad wird wohl in der gesamten Baugruppenproduktion Einzug halten“, sagt Hoefer. Für die maschinelle Schablonen-Reinigung spricht, dass durch sie verkleinerte und verstopfte Öffnungen sowie ausgehärtete Kleber in Aperturen vermieden werden können. Dies ist wichtig vor dem Hintergrund, dass 80 Prozent der Lötfehler bereits durch fehlerhaftes Drucken verursacht werden. „Sorgfältiges Reinigen ist daher ein absolutes Muss!“ Schablonen weisen sehr feine, empfindliche Strukturen auf, daher kann mechanische Behandlung leicht zu Beschädigungen führen. An Aperturen werden andere Anforderungen (höherer Druck, ausreichend Durchfluss, Verhindern von Neuverschmutzung mit Lotkugeln) gestellt als an Baugruppen. Hier liegen die Vorteile einer maschinellen Schablonenreinigung auf der Hand: Sie ist schonend und gründlich zugleich. Im Bereich der Prozesssicherheit ermöglicht die maschinelle Reinigung die exakte Einhaltung der vorgeschriebenen Reinigungsparameter. Sie ist bedienerunabhängig, reproduzierbar und nachverfolgbar. Sie erhöht auch den Durchsatz. So beschleunigt die hohe Bad-Temperatur (60 °C) den Reinigungsvorgang. Das Bad-Volumen ist groß und die Ultraschall-Leistung ist sehr stark. Hochdrucksprühen ist möglich und die Heißlufttrocknung (bis 110°C) beschleunigt die Trocknung speziell in Löchern.
Reinigungs-Methoden
Vladimir Sitko verglich in seinem Vortrag unterschiedliche Reinigungs-Methoden. Wachsende Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Baugruppen und an die Genauigkeit der Herstellungswerkzeuge mache die Frage nach der effizientesten Reinigungsmethode für die jeweilige Aufgabe zu einer sehr wichtigen Frage. Die richtige Wahl beeinflusst ganz entscheidend die Wirtschaftlichkeit der Produktion! Dabei ist es falsch zu fragen: Was ist die beste Reinigungsmethode? Denn jede Methode hat ihren idealen Einsatzbereich. Ultraschall eigne sich besonders bei hartnäckigen Rückständen und schwer zugänglichen Bereichen. Die Wirkungsweise ist Folgende: Druckwellen mit hoher Frequenz erzeugen Hohlräume in der Flüssigkeit. Die Implosion der Hohlräume erzeugt Reibung. Dabei gilt: Je höher die Frequenz, desto kleiner die Hohlräume. Die Sorge bezüglich möglicher Beschädigungen sei unbegründet. „Sofern eine exakte Abstimmung von Frequenz und Behandlungsdauer beachtet wird, besteht kein Risiko einer mechanischen Schädigung. Wichtig ist hierbei eine möglichst homogene Verteilung des Ultraschallfeldes innerhalb des Bades. Eine sachgemäße Formgebung und Größe der Reinigungswanne und Positionierung der Baugruppe im Bad ist hierbei ebenso von entscheidender Bedeutung“, so Sitko.
Spritzreinigung eignet sich dagegen zur Reinigung kleiner Aperturen und ist hervorragend, um Neuverschmutzungen zu vermeiden. Bei mindestens 2 bar Druck an den Sprühköpfen zeigt dieses Verfahren die zweitbeste Reinigungswirkung. Es beschränkt sich jedoch auf nicht-entflammbare Reinigungsmittel. Sprühen im Medium bzw. Druckumflutung werde häufig als zweitbeste Möglichkeit nach Ultraschall genannt. „Es ist leider nicht so“, sagt Sitko. Bei der Druckumflutung sei die Energieübertragung auf das Board durch mögliche Turbulenzen schlecht. Ebenfalls sei die Wirkung unter Bauteilen schlecht, wenn Spalten mit Flux verklebt sind. Das Verfahren ist aber ideal für Spülvorgänge (oft in Kombination mit Oszillation). Die Reinigungswirkung ist gering. Luftsprudeln, eine weitere Methode, kann idealerweise direkt nach einer Ultraschallbehandlung im selben Bad durchgeführt werden, jedoch muss im nächsten Schritt ein Entgasen des Mediums erfolgen. Die Reinigungswirkung ist gering, die Spülwirkung hingegen gut. Sitkos Fazit: Die Kombination verschiedener Methoden ergibt den wirtschaftlichsten Weg zum optimalen Ergebnis.
Es folgte eine Präsentation von Dr. Schweigart über die Auswahl eines geeigneten Reinigungsmediums. Schwerpunkte bildeten moderne Lösemittel, wässrig-alkalische Reiniger (Tensidreiniger) und wasserbasierende Micro Phase Cleaning Reiniger. In seinen Technischen Zentren in den USA, Europa und Asien bietet Zestron mit mehr als 35 Reinigungsanlagen führender Hersteller herausragende Testmöglichkeiten auf Ultraschall-, Sprüh- und Druckumflutungs-Anlagen. Dabei arbeitet das Unternehmen unabhängig. „Schicken Sie Teile für Versuche zu uns oder besuchen Sie uns in Ingolstadt und seien sie bei den Versuchen dabei”, empfiehlt Dr. Schweigart. “Unsere erfahrenen Prozess-Ingenieure werden Sie von den ersten Reinigungsversuchen bis zur Inbetriebnahme Ihres Reinigungsprozesses und darüber hinaus begleiten.“ Im Analytik Zentrum können im Anschluss an die Reinigungsversuche Tests mit allen gängigen Verfahren durchgeführt werden. Die Substrate werden gemäß internationaler Standards überprüft. Analysen zeigen, welcher Reiniger die besten Ergebnisse liefert und sichern, dass die Anforderungen des Kunden erfüllt werden. Der Kunde erhält eine neutrale Prozess-Empfehlung. Den Abschlussvortrag des ersten Workshoptages hielt Dr. Michael Kruppa von Osram (Opto Semiconductors) über die Flussmittelreinigung bei der High Power LED Produktion. Im Mittelpunkt standen die Definition der Anforderungen, die Versuche sowie die Auswahl- und Entscheidungskriterien für eine geeignete Reinigungsanlage. Abends ging es in ein gemütliches Braugasthaus in der Ingolstädter Altstadt. Dort versetzte der Magier Paul Rosé (München) die Teilnehmer mit seiner Tisch-Zauberei ins Staunen.
Zu Beginn des zweiten Workshoptages sprach Dr. Schweigart über 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. Zur Ultraschallbeständigkeit von Baugruppen verweist Dr. Schweigart auf die IPC M 108 Norm und J-STD 001D. Danach ist die Benutzung von Ultraschall für die Baugruppenreinigung erlaubt. Als relevante Test-Methode gelte die IPC TM 650 2.6.9.1. Im Anschluss an die Referate hatten die Teilnehmer Gelegenheit Fragen zu stellen und über ihre Erfahrungen aus der Praxis in Klein- und mittelständischen Unternehmen zu berichten. Dabei stellte sich heraus, dass vielfach noch keine Trennung von Baugruppen und Schablonen bei der Reinigung erfolgt. Bei der Führung durchs Technikum wurden verschiedene Reinigungsanlagen, darunter auch die neue Superswash, im Praxiseinsatz präsentiert. Anschließend wieder Theorie „Prozessüberwachung und Prozesszuverlässigkeit“ (Dr. Schweigart) zur Beurteilung der Reinigungsergebnisse. Anschließend ging es ins Analytikum zur praktischen Vorführung verschiedener Testverfahren. Ein Firmenrundgang, geführt von Sandra Pilz, Zestron Marketing, bildete den Abschluss der gelungenen Veranstaltung. Factronix wird im Herbst (30.9. – 1.10.2008) einen weiteren Workshop anbieten.
(jau)
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