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Material-Formulierungen

Mischen und Dosieren von 2K-Materialien in der Elektronikfertigung – Teil 2
Material-Formulierungen

Elektronikgeräte und -baugruppen enthalten eine erhebliche Menge unterschiedlicher Materialien, um eine strukturelle Verstärkung zu erzielen und/oder um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Produkte zu verbessern. Die Lösung ist bekannt und lautet: 2K-Formulierungen. Nordson Asymtek hat verschieden Verfahren für das Mischen und Dosieren dieser Materialien untersucht. Es ist Zeit, neue Wege zu gehen und der Elektronikindustrie eine praxisgerechte Möglichkeit für die Dosierung und Beschichtung von 2K-Materialien zu bieten. Im zweiten Teil der dreiteiligen Artikelreihe werden detaillierte Informationen über Materialien für eine Dosierung und Beschichtung vorgestellt.

Gerd Schulze, Nordson Asymtek, Maastricht (Nl)

Die verwendeten Materialien können grundsätzlich als Ein- oder Mehrkomponentige-Formulierungen vorliegen. In der Elektronikindustrie beschränkt sich der Begriff mehrkomponentig bei feinen und präzisen Dosieranwendungen in der Regel jedoch auf 2K-Formulierungen.
Ein-Komponenten Formulierungen
1K-Formulierungen (einteilig oder mono) stellen mit Abstand den größten Anteil der verwendeten Materialien für Dosierung und Beschichtung in der automatisierten Elektronikfertigung, wenn es um feine und präzise Anwendungen geht. Diese Materialien können auf Formulierungen basieren die einfach durch die Abgabe der Lösemittel aushärten, oder aber die Vernetzung erfolgt wenn sie Wärme, Feuchtigkeit, Sauerstoff oder Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt werden.
Die Haltbarkeit dieser Materialien ist auf eine bestimmte Zeitspanne beschränkt und es kann erforderlich sein, diese Produkte währenddessen kühl zu lagern. Die Chemiker müssen bei der Entwicklung die grundsätzlichen Materialeigenschaften, sowie die Haltbarkeit und Verarbeitungszeit aufeinander abstimmen. Die Verarbeitungszeit oder Offenzeit des Materials bezeichnet den Zeitraum, in dem das Material ab dem Öffnen zu verbrauchen ist. Der Hauptvorteil einer 1K-Formulierung besteht darin, dass dieses Material während des Dosier- und Verarbeitungsprozesses relativ einfach gehandhabt werden kann und dadurch die Anwendung leicht zu definieren ist. Der Nachteil liegt meist in den Materialeigenschaften, die letztendlich die Funktionalität des fertigen Bauteils, des Gerätes oder der Baugruppe beeinflussen. 1K-Materialien, die für Schutzbeschichtungen verwendet werden, sind – wenn es um die Beständigkeit gegenüber bestimmten Chemikalien und Umwelteinflüssen geht – unter Umständen nicht so widerstandsfähig wie 2K-Produkte. Viele 1K-Schutzlacke beinhalten Lösungsmittel, die nach dem Auftragen abgegeben werden. Zudem erreichen die meisten 1K-Formulierungen erst nach längerer Trockenzeit ihre endgültigen dielektrischen Eigenschaften, was unter Umständen Probleme für das Testen und die Freigabe des Endprodukts bedeuten kann.
Zwei-Komponenten Formulierungen
Vom Prinzip her basieren ZweiKomponenten Formulierungen (auch als 2Komponenten, 2K oder zweiteilig bezeichnet) auf einem Harz (Komponente 1), dem ein Härter (Komponente 2) hinzugefügt wird, wodurch die Vernetzung (der Härtungsprozess des Materials) ausgelöst wird. Es gibt verschiedene Vorteile von 2K- Formulierungen gegenüber 1K-Formulierungen, wesentlich sind jedoch die Eigenschaften des ausgehärteten Materials. So können beispielsweise die endgültigen dielektrischen Eigenschaften bereits innerhalb kurzer Zeit erreicht werden, wobei das Endprodukt anschließend auch direkt verwendbar ist. Zudem bietet diese Lösung eine lange Haltbarkeit der einzelnen Komponenten.
Die Problematik bei der Verarbeitung von 2K-Materialien bezieht sich in erster Linie auf das Abmessen, Mischen und die Einhaltung der Topf- oder Verarbeitungszeit. Das Abmessen und Einhalten des Mischverhältnisses der einzelnen Komponenten muss sehr sorgfältig erfolgen, dabei sind enge Toleranzen einzuhalten, um die endgültigen Materialeigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Die gleiche Sorgfalt muss auch bei dem Vermischen der beiden Komponenten angewendet werden, um in der normalen Fertigungsumgebung reproduzierbare Ergebnisse zu ermöglichen.
Durch die sofort beginnende Vernetzung verändert eine angemischte Charge des Materials ihre Viskosität über die Zeit. Die Regelungen moderner Dosier- oder Beschichtungsanlagen können zwar die hierdurch verursachten volumetrischen Abweichungen teilweise ausgleichen, aber die Benetzungseigenschaften werden sich trotzdem verändern. Dies kann beispielsweise aufgrund der veränderten Fließgeschwindigkeiten zu Hohlräumen bei Underfill-Prozessen, oder aber zu Fehlstellen bei Beschichtungen führen.
Die unmittelbar nach dem Mischen beginnende Vernetzung bringt eine natürliche Beschränkung der zur Verfügung stehenden Verarbeitungszeit mit sich, bevor das Material nicht mehr verarbeitet werden kann, und entsorgt werden muss. Bei 2K-Materialien handelt es sich hierbei häufig nur um Minuten – anstelle von Stunden. Unter Umständen kann diese Zeitspanne (Topfzeit) angepasst werden, indem Additive für die Beschleunigung oder Verzögerung des Härtungsprozesses hinzugefügt werden. Anwender von 2K-Formulierungen müssen die Bedeutung der Topfzeit entsprechend berücksichtigen. Grundsätzlich gilt: je länger die verfügbare Topfzeit ist, desto robuster wird der Produktionsprozess ablaufen. In der Fertigung kann eine kurze Topfzeit jedoch auch vorteilhaft sein, da es keiner zusätzlichen Beschleunigung der Härtung bedarf, gleichzeitig können dadurch jedoch auch viele Komplikationen im Produktionsablauf entstehen. Aus diesem Grund wird eine kurze Topfzeit in der Regel auf solche Anwendungen beschränkt, die relativ große Materialvolumen und einen dementsprechend hohen Durchsatz erfordern. Für Anwendungen bei denen mit den heute verfügbaren Dosierventilen nur relativ geringe Volumen, dafür aber sehr präzise aufgetragen werden, kann eine lange Topfzeit mit anschließender Beschleunigung der Aushärtung sinnvoll sein.
Lesen Sie im 3. Teil, in der Ausgabe EPP 10/2014, mehr über die Anwendung der 2K-Materialien und welche Schlussfolgerung sich daraus ziehen lässt.
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