Neue Methoden im Einzug Thomas M. Forsythe, Kyzen Corporation, Nashville, Tennessee, USA

Nach einer mehr oder weniger längeren Unterbrechung ist die Reinigung der Baugruppen jetzt wieder zum Thema geworden, und es war Aufgabe der verschiedenen Fertigungsspezialisten, sowohl die Standards als auch die hier akzeptierten Werte für die Durchführung der Reinigungsprozeduren zu eruieren. Deswegen gehen wir an dieser Stelle auf die wichtigen Entwicklungen und den aktuellen Stand der Prüftechniken sowie die relevanten Verfahren zur Evaluierung der Rückstandsfreiheit bei Elektronikbaugruppen ein. Dabei sind natürlich die Prozessentwicklung, die Validierung der Prozedur, sowie die tägliche Überwachung der Qualität in der Fertigung von großem Interesse. Eine detaillierte Darstellung der allgemein akzeptierten Industriestandards sowie der neuen Techniken in der Kontrolle der Rückstandsfreiheit, hilft beim Verständnis der Evaluierung der Kontrollmaßnahmen und beim Abschätzen von Zeitablauf und Anforderungen an das Prüfequipment bei der Einführung in die Fertigungsumgebung.

Eine der ersten Fragen eines Ingenieurs, dem solch ein Reinigungsprojekt übertragen wurde, dürfte sein, „Wie sauber ist eigentlich sauber?“ Die erste kurze Antwort darauf könnte lauten: „So sauber, dass es die Qualitätsanforderungen des Kunden bzw. der Fertigung erfüllt“. Natürlich gibt es darauf auch eine deutlich längere Antwort. Diese basiert auf der Darstellung eines ganzen Bündels von Verfahren. Einige von ihnen sind bereits vor Jahrzehnten entwickelt worden und haben aufgrund ihrer Vorteile die Zeit überdauert. Die wichtigsten Kontrollverfahren für Fertigungsrückstände stehen somit hier im Mittelpunkt, und natürlich auch deren Beurteilung für eventuelle Maßnahmen in der Produktion. In den letzten 20 Jahren haben sich natürlich im Bereich Reinigung von Elektronik die Ansichten und die Technik weiterentwickelt. Die 80er Jahre waren die Zeit des Wellenlötens und des Einsatzes von bedrahteten Bauteilen. Praktisch alles wurde damals gereinigt, dabei wurde mit einer Mischung gearbeitet, in der fluorierte Kohlenwasserstoffe (CFC-113) dominierten. Alle frühen Reinigungsverfahren waren von diesem mehr oder weniger universalen Prozess geprägt. Dann ging der Trend zur Entwicklung der kurzlebigeren halbwässrigen Reinigungstechnik. Ihr folgte die Zeit der vollwässrigen Reinigungslösungen, dann kam die No-clean-Phase und nun sprechen wir von der Bleifreitechnik und ihren speziellen Anforderungen. Jede dieser Entwicklungsphasen hatte Auswirkungen auf die Weise, wie der Reinigungsgrad beurteilt wurde sowie darauf, wie der dazu passende Reinigungsstandard zu spezifizieren war.

Zwar wird oft der Blick auf die Leiterplatte oder die Baugruppe als nicht so wichtig eingeschätzt, dennoch ist diese visuelle Inspektion zumeist äußerst informativ. Die Ursachen von unerwünschten Verunreinigen, die man dabei sieht, können mannigfaltig sein: Partikel vom manuellen Boardhandling (Fingerabdrücke usw.), von Verpackungsmaterial (auch Verschmutzungen aus der Luft), eingeschlossene Partikel aus vorgelagerten Fertigungsprozessen mit Materialabtrag sowie Spritzer aus dem Wellenlöten oder die Bildung von Lotkügelchen im Reflowofen. Somit gibt es also durchaus einiges zu sehen. Die Frage ist jedoch, wie soll man die visuelle Inspektion durchführen? Es gibt auch hier mehrere Vorgehensweisen, deswegen ist es nötig, die Methode und die Instrumente unter Berücksichtigung der Aufgabenstellung auszuwählen. Beispielsweise sollte ein Unternehmen, befasst mit der Entwicklung und Einführung neuer Produkte (NPI), daran denken, für die Erkennung von Rückständen in ein gut ausgestattetes Digital-Mikroskop mit Fotoaufsatz zu investieren. So lange man nicht auf Waferlevel arbeitet, sollte eine etwa 100fache Vergrößerung ausreichend sein. Andererseits zeigen Geräte mit etwa 400facher Vergrößerung natürlich noch wesentlich mehr Details, aber verlangen auch nach größeren Investitionsbudgets. Die gleichen Empfehlungen gelten auch für die Lieferanten von Reinigungsmaterialien. Liegt der Schwerpunkt der Inspektionsanwendungen auf einem typischen Programm der Qualitätssicherung in der Fertigung, dann sind 10- bis 15fache Vergrößerungen üblich und ausreichend. Zumeist kann man einfachere Mikroskope ohne Aufsatz für eine Digitalkamera verwenden Dies erlaubt einen durchaus differenzierten Blick, und hält doch genügend großen Abstand zur optischen Überdifferenzierung. Zudem sind diese Mikroskope kostengünstig. Wird mit einem Prüfverfahren ein Rückstandsproblem festgestellt, so sind stets weitere Analysen nötig. Diese Untersuchung der Ursachen in mehreren Schritten kann verschiedenen Richtungen folgen, doch immer beginnt sie mit einer visuellen Kontrolle. Und bei dieser visuellen Überprüfung stößt man auch oft auf Boardbereiche, die man noch genauer untersuchen will. Handelt es sich bei diesem Bereich um einen solchen mit filmartigen Überzug oder mit einem anderen Rückstand, so ist ein weiteres hilfreiches Werkzeug die Fourier-Transformation der Infrarot-Spektroskopie (FTIR). Diese Untersuchungstechnik ist speziell bei der Untersuchung von organischen Rückständen nützlich. Große Vorteile zeigt FTIR in Verbindung mit einem Laser-Mikroskop. Dies ermöglicht genaue Mikro-FTIR-Analysen von speziellen Bereichen der Baugruppe. Solch eine zerstörungsfreie Prüfung lässt sich sowohl an den Standard-Testkarten wie auch an Baugruppen oder Bausteinen aus der regulären Fertigung vornehmen. Die Investitions- und Betriebskosten sind jedoch vergleichsweise hoch, dies wird allerdings durch die Vorteile einer hohen Benutzerfreundlichkeit und Prüfgeschwindigkeit aufgewogen.

Wasserlösliche und ionische Rückstände lassen sich leicht feststellen und ausmessen. Im Standardtest nach IPC-TM-650 verwendet man eine Mischung aus Zwei-Propylalkohol (Propanol, IPA) und Wasser. Für den Test auf ionische Rückstände gibt es automatische Systeme, die ihre Zuverlässigkeit seit Jahren unter Beweis stellen. Das Verhältnis zwischen Isopropylalkohol (IPA) und Wasser differiert etwas zwischen den einzelnen Geräten und dem jeweiligen Testverfahren, dies ist jedoch unproblematisch. Die Ergebnisse werden in µg/Zoll2 oder in µg/cm2 dargestellt. Das Verfahren ist weithin zur Messung der Rückstandsfreiheit an Boards in den üblichen Fertigungsumgebungen akzeptiert. Die Methode benötigt zur Durchführung auch nur einige Minuten und nicht mehrere Stunden wie bei anderen Prüfverfahren in der Fertigung. Zudem benötigen die Prüfmuster keine langwierige Vorbereitung, und der automatisch ablaufende Vorgang mit solchen Systemen kann bequem von den Fertigungsmitarbeitern durchgeführt werden. Dabei gibt es einige potenzielle Problembereiche zu berücksichtigen. Zum Ersten können die hier gewonnenen Ergebnisse sowohl auf das einzelne Prüfobjekt als auch auf die Gesamtfläche der kontrollierten Oberfläche bezogen werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, sich zu vergegenwärtigen, dass Komponenten und Module natürlich ihre eigenen spezifischen Oberflächen aufweisen. Deshalb wird eine einfache Prüfung der Leiterplatten-Oberfläche nicht zu genügend genauen Ergebnissen führen können. Zum Zweiten ist das hier vorzugsweise eingesetzte Lösungsmittel Alkohol (IPA) sehr vorteilhaft wegen der einfachen Verfügbarkeit sowie den niedrigen Kosten. IPA kann äußerst wirksam ionische Materialrückstände aufnehmen. Dennoch kann hier der Benutzer über jene Rückstände auf Boards im Zweifel sein, die sich nicht in IPA lösen lassen und problematische ionische Verunreinigungen enthalten. Die können dann über die Nutzungszeit einer Baugruppe oder eines Geräts zu Ausfällen oder Störungen führen. Der Test der ionischen Verunreinigungen zeigt auch auf, wie sich die Anforderungen und Erwartungen darüber, welche Werte saubere Baugruppen aufweisen sollen, über die Jahre verändert haben. In der Anleitung IPC-AC-62A (Aqueous Post Solder Cleaning) vom Januar 1996 findet man die Angabe, dass 1,59 µm/cm2 (10 µg/Zoll2) Natrium-Chlorid (Kochsalzlösung) der noch akzeptierbare Grenzwert für Militärelektronik ist. Zu dieser Zeit haben die MIL-Anforderungen noch die allgemeinen Industriestandards beeinflusst, und dieser Wert war deshalb der Defacto-Standard für Baugruppen, die in CFC-113 gewaschen wurden. Der Fluorkohlenwasserstoff wurde anschließend aber durch alternative Lösungen ersetzt, die weniger schädliche Auswirkungen auf die Ozonschicht der Erde haben. Heute hingegen erreichen die meisten Baugruppen Werte zwischen 0 und 1 µg/Zoll2. Die speziellen sehr dicht bestückten MIL-Baugruppen erreichen sogar Werte weit unter 10 µg/Zoll2. Das ist ein Hinweis darauf, dass die neuen Reinigungstechniken mit höherer Leistung zu niedrigeren Rückständen führen. Die Industrie hat darauf mit gestiegenen Anforderungen und niedrigeren, akzeptierten Werten reagiert.

Dieses Verfahren wurde in den 90er Jahren während des Übergangs vom Fluorkohlenwasserstoff CFC-113 zu verträglicheren Alternativen intensiv eingesetzt. Hier besteht der erste Schritt aus der Harz-Extraktion mit einem Lösemittel. Diese Mischung wird anschließend mittels HPLC (High Performance Liquid Chromatography) und Ultraviolett-Chromatographie genauer untersucht. Wegen des hier nötigen High-Level-Equipments ist das im Allgemeinen keine Methode für die übliche Fertigungsumgebung. Nur die am besten ausgestatteten Labors können solch eine umfangreiche Ausstattung vorweisen, so dass die Verfügbarkeit dieser Methode sogar für die Unternehmen in der Einführung neuer Produkte (NPI) limitiert ist. Außerdem geht der allgemeine Trend bei der Formulierung von neuen Lotpasten und Flussmitteln zu immer niedriger dosierten Harzbeimischungen in den heutigen No-clean-Ausführungen. Damit nimmt die Bedeutung der präzisen Bestimmung von Harzrückständen aus dem Lötprozess fortlaufend ab.

Die Messung des Oberflächenwiderstands (SIR, Surface Insulation Resistance) liefert seit vielen Jahren zuverlässige Ergebnisse. Bei der SIR-Messung wird normalerweise ein Testsubstrat mit verzahnten Kammstrukturen verwendet. Dabei werden diese Kammstrukturen einer definierten Zahl von Zyklen mit kontrollierter Temperatur und Luftfeuchte ausgesetzt. Einige OEMs setzen solche Kammstrukturen auch auf eigene Testboards. Allerdings ist es allgemeine Praxis in der Industrie, eine akzeptierte Standard-Testkarte zu verwenden, die allgemein als neutrales „Schiedsrichter“-Board bezeichnet wird. Entsprechend dem Einsatz einer Standard-Testkarte statt eines Boards aus der normalen Fertigung handelt es sich bei SIR-Messungen um eine Methode zur Überprüfung von Fertigungsprozessen anhand von Normen, und nicht um eine Qualitätskontrolle in der Produktion. Solche SIR-Prüfungen werden in einem weiten Anwendungsbereich vorgenommen: NPI-Überprüfung durch den Lieferanten/Lieferanten von Verbrauchsmaterialien wie Reiniger oder Lötzinn/Lotpaste führen oft SIR-Tests mit der Standard-Testkarte durch, um nachzuweisen, dass ihre Produkte den Industrienormen entsprechen. NPI-Überprüfung durch den Anwender/Anwender führen oft SIR-Tests durch, um neue Fertigungsprozesse zu evaluieren. Die Überprüfungen durch die OEMs werden meist mit eigenen Testkarten durchgeführt, mit denen die Bedingungen in Entwicklung und Fertigung berücksichtigt werden können. NPI-Überprüfung durch Fertigungsdienstleister/die Fertigungsdienstleister (EMS-Firmen, Electronics Manufacturing Services) werden oft von ihren Auftraggebern aufgefordert, mit SIR-Messungen die Tauglichkeit neuer Produktionsprozesse nachzuweisen. Diese EMS-Firmen verwenden im Allgemeinen die Standard-Testkarte der Industrie, und erzielen damit Ergebnisse in einem umfangreichen Applikationsbereich, die sowohl für die EMS-Firma selbst, als auch für deren Kunden sehr aufschlussreich sind. Im SIR-Test durchlaufen die Testkarten meist über 7 Tage (168 Stunden) eine bestimme Zahl von Zyklen mit Temperaturen und Luftfeuchte unter Spannung. Viele OEMs und Fertigungsdienstleister haben ihr eigenes SIR-Equipment, obwohl oft aus Gründen der Kapazität oder wegen der Neutralität, externe Labors beauftragt werden.

Die Ionen-Chromatographie (IC) ist eines der neueren Verfahren zur Überprüfung der Rückstandsfreiheit. Sie wurde von Delphi Electronics (heute Delco) in den USA während der frühen 90er Jahre entwickelt. Die Methode basiert auf dem Prinzip, dass eine umfangreiche Palette von korrosiven und isolierenden ionischen Rückständen mit einer spezifischen Flüssigkeit aufgelöst werden können. Bei der anschließenden Analyse dieser Flüssigkeitsmischung lassen sich dann die einzelnen ionischen Rückstände trennen, identifizieren und in ihrer Anzahl/Menge quantifizieren. Bei der Untersuchung der Boards auf spezifische ionische Verunreinigungen ist es wichtig zu verstehen, dass das Substrat-Handling sowie die Vorbereitung der Prüfmuster bei diesem Verfahren sogar von noch größerem, kritischem Einfluss sind, als alle anderen Schritte dieser Prozedur. Allerdings sind die Kosten für das Equipment sowie die nötigen Kenntnisse für die Testdurchführung so hoch, dass diese Methode weitgehend unpassend für Fertigungen sowie die meisten Prüflabors ist. Es gibt somit vergleichsweise wenig Firmen oder Labors mit dieser gehobenen Ausrüstung und den entsprechenden Mitarbeitern, die dieses Prüfverfahren durchführen können. Ähnlich wie der SIR-Test ist die Ionen-Chromatographie geeignet für NPI-Anforderungen sowie detaillierte Prozesskontrollen. Jedoch ist wegen des hohen Zeitaufwands und der Kosten, sowie der langen Warteliste bei den wenigen, darauf fokussierten Testlabors, die Ionen-Chromatographie keine wirkliche Alternative zu SIR-Messungen.

Seit einigen Jahren werden zunehmend immer mehr Bauteile mit niedrigem Abstand zur Leiterplattenoberfläche (Low Standoff) eingesetzt. In Bezug auf die Reinigungstechnik bzw. Rückstandsfreiheit der Baugruppen ist damit ein Bedarf an anderen, weiterentwickelten Prüfverfahren entstanden, insbesondere in den Bereichen von NPI und Prozessabsicherung. Für diesen Anwendungsfall wurde eine besondere Technik für die Absicherung von Fertigungsprozessen entwickelt, mit der man die Wirkung von speziellen Reinigungsmaterialien bei unterschiedlichen Bedingungen überprüfen kann. Dabei werden die Testergebnisse aufgezeichnet. Bei diesem Verfahren setzt man dünne Glasträger ein. Man verwendet ein BGA-Array von Lotkügelchen (Spheres) unter einem größeren Objektträger (Die) aus Glas. Der Abstand des Dies lässt sich justieren, damit man die beste Abstimmung für den Prozess einstellen kann, der jeweils überprüft werden soll. Diese Methode erlaubt zudem auch die Evaluierung von Flussmitteln zur Übereinstimmung mit dem abschließend definierten Fertigungsprozess. Über Videoaufzeichnungen kann festgehalten werden, wie der jeweilige Reinigungsprozess über die Zeit abläuft. Dieses Verfahren bietet tatsächlich wesentliche Vorteile für alle Bereiche der Fertigungskette, wie im Folgenden kurz skizziert. Für den Reinigungsspezialisten: Diese Methode liefert früher nicht verfügbare Daten zur Evaluierung der Auswirkungen beim Einsatz von unterschiedlichen Reinigungsprodukten. Die Untersuchung ist nicht nur bezogen auf die Reinigung und die Ergebnisse selbst, sondern auch auf den Ablauf, also, wie reinigt das Material und mit welcher Rate bzw. Effizienz arbeitet es dabei. Für den Lötspezialisten: Auch hier liefert diese Methode vorher nicht verfügbare Daten. Der Vergleich von den in der Fertigung bekannten Reinigungsmaterialien im Verhältnis zu einer ganzen Reihe von unterschiedlichen, neuen Flussmittel-Formulierungen führt zu wertvollen Einsichten bei der Materialentwicklung. Für den Anwender der Baugruppen: Das Verfahren gibt wichtige Hinweise für die Verbesserung und Optimierung der Reinigungsprozesse. Mit seiner Hilfe werden die unter dem Die erreichten Reinigungsergebnisse abgesichert, welche die Anforderungen der Baugruppen sowie die Erwartungen der Kunden erfüllen. Abschließend lässt sich feststellen, dass es eine ganze Reihe von Verfahren gibt, um die Verunreinigung von Boards mit unterschiedlichen Rückständen oder Partikeln zu bewerten. Der Schlüssel zur effizienten Anwendung ist eine sinnvolle Übereinstimmung mit dem letztlich ausgewählten Verfahren und der Zielsetzung dieser Prüfung herzustellen. Dazu sind auch die passenden Partner in der technischen Ausführung sowie in der sachgerechten Bewertung der Ergebnisse und Durchführung der Analyse nötig. Mit solch fundierten Basisaussagen sind dann die Verantwortlichen in der Fertigung sowie bei den Kunden von EMS-Firmen in der Lage, die richtigen Entscheidungen zu treffen, um ihre Ziele einer rückstandsfreien Baugruppe zuverlässig zu erreichen.

SMT, Stand 7-340

EPP 443