Neue Reinigungs- konzepte helfen Judith Riess-Frohberg, Marquardt GmbH, und Andreas Harein, Systronic

Die Firma Marquardt GmbH mit Hauptsitz in Rietheim-Weilheim fertigt seit über 80 Jahren Schalter und Zubehör für die Elektroindustrie. Im Laufe der Jahre hat sich aus der „Spezialfabrik für Elektrobedarf und Feinmechanik“ eine weltweit tätige Unternehmensgruppe mit Produktionsstätten in Europa, Afrika, Asien und Amerika mit über 4000 Mitarbeitern entwickelt. Als Entwickler und Hersteller von Schaltern und Schaltsystemen für die unterschiedlichsten Industriezweige erwirtschaftete das Familienunternehmen 2007 rund 470 Millionen Euro. Entscheidender Erfolgsfaktor für das stetige Wachstum der Unternehmensgruppe in den zurückliegenden Jahren waren und sind Innovationen. Daher investiert Marquardt jährlich mehr als sieben Prozent des Umsatzes in die Forschung und Entwicklung neuer Produkte.

Die zunehmende Produktvielfalt verbunden mit steigendem Bedarf an Reinigungszyklen in der Schablonenreinigung ließ auch die Anforderungen an den Reinigungsprozess ansteigen. Daher entschied man sich im Jahr 2006 im Rietheimer Marquardt-Werk dafür, eine neue Reinigungsanlage für SMT-Druckschablonen und Fehldrucke in der Elektronikfertigung anzuschaffen.

In dem geplanten Reinigungsprozess sollten neben den Schablonen, die mit Lotpaste und SMT-Kleber verunreinigt sind, auch fehlbedruckte Leiterplatten gereinigt werden (Bild 1). Bei den fehlbedruckten Leiterplatten der Firma Marquardt kommt es dabei nicht nur auf die Abreinigung der Lotpastenrückstände oder SMT-Kleber an, sondern auch auf die Entfernung der Flussmittelrückstände aus dem Lötprozess auf der bereits bestückten und gelöteten Seite (Bild 2). Gerade dieser Flussmittelentfernung auf der bereits gelöteten Seite muss besondere Beachtung geschenkt werden, da konventionelle Schablonenreiniger oft nur ungenügende Reinigungsergebnisse liefern. Häufig bleiben so genannte „weiße Rückstände“ auf den Leiterplatten zurück, die im Feld unter entsprechenden klimatischen Bedingungen zu Ausfällen (z. B. Elektrochemische Migration, Korrosion, Beschichtungsfehler) führen können. Daher muss besonders das Reinigungsmedium/der Prozess speziell auf die Anforderungen der Fehldruckreinigung ausgelegt sein. Vorteil eines derartigen Prozesses ist es, dass fehlbedruckte Leiterplatten, die bereits einseitig gelötet sind, nicht als Ausschuss verworfen werden müssen, sondern erneut in den Prozess zurückgeführt werden können. Dadurch können die gesamten Produktionskosten gesenkt werden.

Um die geplante Anlage dem Prozess entsprechend anzupassen, wurde zunächst im Hause Marquardt eine Erhebung über den anfallenden Durchsatz durchgeführt. Dabei ergab sich, dass den größten Anteil die Druckschablonen der 6 SMD-Linien bilden. Diese werden im Schnitt einmal pro Schicht gereinigt, was beim vorhandenen 3-Schicht-Betrieb zu 18 Reinigungszyklen pro Tag führt. Zu den Druckschablonen kommen wie bereits erwähnt die ungelöteten fehlbedruckten Leiterplatten und bereits einseitig gelötete Fehldrucke hinzu. Aus dem Reinigungsgut definierten sich dann auch die Anforderungen an den Reinigungsprozess. So sollten Lotpaste, SMT-Kleber und Flussmittelrückstände in einem Prozess abgereinigt werden. Zudem wurde bei der Firma Marquardt großer Wert auf eine geringe Verschleppung und damit verbunden einen geringen Verbrauch des Prozesses gelegt.

Im Hinblick auf die Arbeitssicherheit wurden von Seiten Marquardt strenge Auflagen gestellt. Ein wasserbasierendes Reinigungsmedium sollte zum Einsatz kommen, welches aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften keinen Flammpunkt besitzt und daher im Vergleich zu einem Lösemittelreiniger in Bezug auf Arbeitssicherheit und Lagerung einfacher zu handhaben ist. Des Weiteren durften keine gesundheitsgefährdenden Stoffe im Reiniger enthalten sein. In punkto Wirtschaftlichkeit sollten zudem durch eine hohe Beladungskapazität des Reinigers eine lange Bad-Standzeit und somit niedrige Reinigerkosten realisiert werden. Nachdem alle wichtigen Eckpunkte für den neuen Reinigungsprozess festgelegt waren, wurden verschiedene Reinigungsverfahren und Medien getestet. Im Technischen Zentrum von Zestron wurden Versuche in Einkammer- und Mehrkammer-Spritzreinigungsanlagen sowie Ultraschall-Tauchanlagen mit diversen wässrigen Reinigern durchgeführt. Die Wahl fiel letztendlich auf eine Systronic CL500 3-Kammer Spritzreinigungsanlage zusammen mit dem wasserbasierenden Mikrophasenreiniger Vigon SC 202, da dieser Prozess die speziell gestellten Anforderungen am besten erfüllt (Bild 3).

In dem Prozess wird je nach Reinigungsgut ein in der SPS-Steuerung der Anlage hinterlegtes Programm gestartet. Über rotierende Sprüharme wird der Reiniger aus dem Vorratstank auf die Schablonen bzw. die Leiterplatten aufgebracht. Die Reinigung erfolgt im Kreislaufverfahren. Im Anschluss an die Reinigung erfolgt die so genannte Abtropfzeit, um den idealen Rücklauf des Reinigers in den Vorratstank zu gewährleisten. Über einen automatischen Kettentransport wird das Reinigungsgut durch die Spülkammer in die Trockenkammer gefahren. Während des Transports durch die Spülkammer hindurch werden die Schablonen/Baugruppen zwischen feststehenden Düsenstöcken durchgeführt. Der Reiniger und eventuell noch anhaftende Restpartikel werden abgespült. Die Trocknung der Substrate erfolgt innerhalb kürzester Zeit durch erwärmte Umluft, welche über ein Querstromgebläse bewegt wird.

Wie beschrieben verfügt die Reinigungsanlage jeweils über eine separate Kammer für Reinigung, Spülung und Trocknung. Durch dieses 3-Kammer-System wird nur der auf dem Reinigungsgut (Schablone oder Leiterplatte) befindliche Reiniger von der Reinigungskammer in die Spülung verschleppt. Der Reiniger, der sich noch an den Kammerwänden sowie an den Rohrleitungen und Pumpen befindet, bleibt in der Reinigungskammer und wird nicht mit abgespült. Beim 3-Kammer-Prozess findet somit eine optimale Trennung von Reinigungs- und Spülmedium statt. Im Vergleich zu Reinigungsanlagen mit nur einer Prozesskammer ist der Verbrauch an Reinigungsmedium bei der 3-Kammer-Anlage somit tendenziell geringer. Neben dem niedrigeren Reinigerverbrauch ist auch die Spülwasseraufbereitung durch die geringere Verschleppung kostengünstiger. Daher ist mit dem 3-Kammer-Prozess für die Firma Marquardt insgesamt mit niedrigeren Gesamtkosten zu rechnen gewesen.

Wie erwähnt erfolgt die Trocknung in einer weiteren, separaten Kammer. Dadurch können parallel zwei Schablonen in der Anlage gereinigt und entsprechend hohe Durchsätze, wie sie bei der Firma Marquardt zukünftig anfallen, realisiert werden. Zudem verhindert die räumliche Trennung von Reinigungs- und Trocknungskammer ein Abtrocknen der Kammerwände. Es wird lediglich das Reinigungsgut getrocknet, was zusätzlich dazu beiträgt den Verbrauch niedrig zu halten. Das wasserbasierende Reinigungsmedium komplettiert den Schablonen- und Fehldruckreinigungsprozess. Der speziell für die Fehldruckreinigung ausgelegte Reiniger entfernt durch seine leichte Alkalität zuverlässig sowohl Lotpaste und SMT-Kleber von Druckschablonen als auch Flussmittelrückstände von fehlbedruckten Baugruppen (Bild 4). Der Reiniger selbst basiert dabei auf der MPC-Technologie, die Verunreinigungen durch so genannte Mikrophasen von den Oberflächen entfernt. Sind diese Mikrophasen beladen, geben sie die Verunreinigung an die wässrige Umgebungsphase ab, aus der sie anschließend gefiltert werden kann. Durch die in der Reinigungsanlage vorhandenen Filter werden die abgereinigten Rückstände dann permanent aus dem System entfernt. Durch diese permanente Wiederaufbereitung des Reinigers werden im Vergleich zu konventionellen Reinigern sehr lange Bad-Standzeiten erreicht (Bild 5). Dies führt zu einer deutlichen Senkung der Gesamtprozesskosten.

Die Auflagen bezüglich der Arbeitssicherheit und Lagerung werden durch den wässrigen Prozess ebenfalls erfüllt. Der Reiniger enthält keine gesundheitsgefährdenden Stoffe, hat keinen Flammpunkt und gewährleistet somit optimale Arbeits- und Lagerbedingungen. Insgesamt konnten mit dem neuen Prozess optimale Reinigungsergebnisse erreicht und die gestellten Anforderungen von Marquardt in vollem Umfang erfüllt werden.

Die 3-Kammer-Anlagentechnik ermöglicht aufgrund der geringen Verschleppung und minimaler Verdunstungsverluste einen besonders kostengünstigen Prozess. Verunreinigungen wie Lotpaste, SMT-Kleber und Flussmittelrückstände werden vollständig mit einem modernen, wasserbasierenden Reiniger entfernt. Die enge Zusammenarbeit von Kunden, Anlagenhersteller und Chemielieferant bereits vor der Implementierung des Reinigungsprozesses ermöglichte es, dass im Bezug auf das Reinigungsergebnis und die laufenden Kosten ein Prozess entwickelt wurde, der alle von Marquardt gestellten Aufgaben optimal erfüllt.

EPP 420