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Sicherer Druckprozess durch moderne Schablonenreinigung Dipl. Ing. Stefan Strixner und Dipl. Wirtsch. Ing. Alexander Kögel, Zestron, Ingolstadt

Verbesserte Qualitätssicherung
Sicherer Druckprozess durch moderne Schablonenreinigung Dipl. Ing. Stefan Strixner und Dipl. Wirtsch. Ing. Alexander Kögel, Zestron, Ingolstadt

Bei der Fertigung elektronischer Baugruppen werden typischerweise Lotpasten und/oder SMT-Kleber mittels Schablonen auf Basissubstrate gedruckt. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung und um hohe Packungsdichten zu realisieren, setzen Hersteller mittlerweile sehr häufig Schablonen mit Fine-Pitch Aperturen ein. Für ein qualitativ zufriedenstellendes und reproduzierbares Druckergebnis ist dabei eine regelmäßige Reinigung der Schablonen unerlässlich. Nur so kann im Sinne der Qualitätssicherung verhindert werden, dass die nachfolgenden Produktionsschritte des Bestückens und Lötens negativ beeinflusst werden. Welche Vorteile eine moderne Reinigung für den Anwender bietet, aber auch welche Risiken und mögliche Fehlerquellen bei mangelhafter Reinigung auftreten können, soll nun veranschaulicht werden.

Beim Schablonendruck gibt es im Wesentlichen zwei kritische Faktoren, die im Zusammenhang mit der Sauberkeit der Schablone stehen und nachteilige Auswirkungen auf ein stabiles Druckbild haben können:

  • Lotpastenrückstände in den Aperturen
  • Lotpastenrückstände auf der Schablonenunterseite
Grundsätzlich wird über die steigende Anzahl der Druckzyklen das Auslöseverhalten von Lotpaste oder SMT-Kleber aus den Druckschablonen vermindert. Die Ursache dafür ist, dass nach jedem Druck Reste von Lotpasten bzw. SMT-Kleber in den Aperturen verbleiben können. Diese kumulieren sich auf und verringern in zunehmendem Maße die freie Aperturenfläche (Bild 2) und damit die Qualität des späteren Druckbildes. Besonders beim Einsatz von Fine-Pitch Aperturen kann dieser Effekt noch verstärkt werden.
Ungünstige Druckparameter, wie zum Beispiel ein zu niedrig/hoch eingestellter Rakeldruck oder zu lange Stillstandszeiten zwischen zwei Drucken („Druck-nach-Pause“) können solche Auswirkungen zusätzlich beeinflussen. Die Folge sind Magerdrucke oder auch fehlbedruckte Leiterplatten, wodurch ein gutes Lötergebnis nicht mehr sichergestellt ist. Lotpastenrückstände, die nach dem Druck gegebenenfalls auf der Unterseite der Schablone verbleiben, verhindern eine vollflächig planare Positionierung der Druckschablone auf der Leiterplatte. Der resultierende Spalt zwischen Schablone und Leiterplatte kann zur Folge haben, dass Lotpaste auf die Stegunterseite gedruckt wird. Beim nachfolgenden Löten besteht so die Gefahr der Brückenbildung zwischen den Lotpads durch Lötkugeln, den so genannten Solder Balls. Dies kann die spätere Funktionszuverlässigkeit der Baugruppe nachhaltig beeinträchtigen bzw. zu Ausfällen im Feld führen.
Für ein reproduzierbares Druckergebnis ist eine Reinigung daher unumgänglich. Dies geschieht zur Vermeidung häufiger und langer Unterbrechungen in festgelegten Unterseitenreinigungszyklen bereits innerhalb des Druckers. Dabei entfernt ein spezielles, mit Reinigungsflüssigkeit getränktes Vlies überschüssige Lotpastenreste von der Schablonenunterseite und aus den Aperturen. Eine integrierte Vakuumabsaugung unterstützt dabei die Reinigung und ermöglicht zudem eine aktive Trocknung der Schablonenunterseite.
Einsatz moderner Reinigungsmedien
Für die Unterseitenreinigung steht eine Vielzahl unterschiedlichster Reinigungsmedien zur Verfügung. Dabei kann die Wahl eines modernen Reinigers die Prozesssicherheit deutlich erhöhen. Dies wird im Folgenden an Hand verschiedener Beispiele verdeutlicht. Grundsätzlich kann bei der Unterseitenreinigung nicht verhindert werden, dass das Reinigungsmedium durch die Aperturen auf die Schablonenoberseite gelangt und dort in Kontakt mit Lotpaste kommt (Bild 4). Herkömmlich verwendete Chemikalien, wie z. B. Isopropyl-Alkohol (IPA) haben in diesem Zusammenhang nachteilige Auswirkungen auf die Viskosität und die Klebrigkeit der Lotpaste. So kann es hierbei zu Kaltverschweißen von Lotpulver oder zu so genanntem „Slumping“ kommen. Eine schlechte Kantenstabilität des Druckes und damit ein negatives Lötergebnis sind die Konsequenz (Lötkugelbildung in Bild 3). Auch in Bezug auf die Prozess- und Arbeitssicherheit gelten Chemikalien wie IPA für die Reinigung mittlerweile als überholt. Aufgrund des niedrigen Flammpunkts von nur 12 °C ist IPA leicht entzündlich. Dies macht den Einsatz in Druckern zu einem Risiko, da diese nicht explosionsgeschützt ausgeführt sind. Somit ist für eine zuverlässige Unterseitenreinigung von SMT-Druckschablonen die Auswahl eines kompatiblen Reinigers ausschlaggebend.
Aus den genannten Gründen und nicht zuletzt wegen der wesentlich höheren Reinigungsleistung empfiehlt sich der Einsatz von modernen, speziell für diese Aufgabe entwickelten Reinigungsmedien, die zum Beispiel auf der wasserbasierenden MPC Technology (Micro Phase Cleaning) beruhen. Da diese keinen Flammpunkt besitzen, lassen sie sich besonders sicher anwenden. Zudem trocknen diese Reinigungsmedien rückstandsfrei und haben keinen negativen Einfluss auf die Druckeigenschaften der Lotpaste.
Alternativ können auch moderne Lösemittel mit hohem Flammpunkt verwendet werden. Diese zeichnen sich ebenfalls durch eine gute Reinigungsleistung sowie eine schnelle und rückstandsfreie Trocknung aus. Allerdings ist gerade bei hohen Durchsatzraten im Drucker, aber auch bei häufigem Produktwechsel zusätzlich zur Unterseitenreinigung eine separate, maschinelle Schablonenreinigung ratsam, um eine konstante Druck- und Lötqualität aufrecht zu erhalten. Die verschiedenen, zur Verfügung stehenden Reinigungsprozesse werden nachfolgend dargestellt.
Maschinelle Schablonenreinigung
Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten der Schablonenreinigung außerhalb des Druckers: manuell oder maschinell. Hinsichtlich der Produktionszuverlässigkeit ist grundsätzlich die maschinelle Schablonenreinigung der manuellen Reinigung von Druckschablonen vorzuziehen. Dies ermöglicht es, dauerhaft reproduzierbare Reinigungsergebnisse zu erzielen, die bei der manuellen Reinigung nicht gegeben sind. Daher empfiehlt auch der bekannte Industriestandard IPC in seiner Richtlinie „IPC 7526“ den Einsatz einer Reinigungsanlage anstelle einer manuellen Reinigung. Nur so können alle Produktionsanforderungen eingehalten werden. Des Weiteren kommt es bei der manuellen Reinigung häufig zur mechanischen Beschädigung z. B. von empfindlichen Fine-Pitch Aperturen durch den Anwender. Außerdem besteht die Gefahr, dass Reste von Reinigungsutensilien (Fusseln) und/oder Lotpaste bzw. Kleber in den Aperturen zurückbleiben. Zudem lassen sich zum Beispiel PumpPrint Schablonen aufgrund der größeren Schablonendicken und den damit verbundenen höheren Klebervolumina manuell nicht gründlich genug von Rückständen reinigen. Diese härten in den Aperturen aus und machen die Schablone unbrauchbar.
Durch eine maschinelle Reinigung wird dagegen kontinuierlich verhindert, dass Lotpasten- oder Kleberrückstände in Aperturen verbleiben und in der Folge zu Magerdrucken oder auch ansonsten zu einem unsauberen Druckbild führen. Ebenfalls verringert sich der Handlingaufwand aufgrund der Automatisierung des Prozesses für den Operator und selbst schwierige Geometrien wie bei Fine-Pitch oder PumpPrint Schablonen lassen sich damit zuverlässig reinigen. Prinzipiell stehen als Anlagenkonzepte für die Schablonenreinigung Spritzanlagen oder Tauchanlagen mit Ultraschall zur Verfügung, in denen je nach Bauart Lösemittel- oder wasserbasierende Reiniger eingesetzt werden können. Die Reinigungsanlagen unterscheiden sich ferner in der Anzahl der Bearbeitungskammern für die verschiedenen Prozessschritte Reinigung, Spülung und Trocknung, d. h. der gesamte Reinigungsprozess kann in einer oder mehreren Arbeitskammern stattfinden. Besonders bewährt haben sich Reinigungsanlagen in Edelstahlbauweise. Durch ihre solide und qualitativ robuste Bauweise besitzen diese Reinigungsanlagen langfristig eine erhöhte mechanische Stabilität und weisen eine hohe Materialverträglichkeit mit Reinigern und Verunreinigungen auf.
Wie bereits erwähnt lässt sich der Reinigungsprozess in drei Prozessschritte aufteilen:
1. Reinigung:
Bei Spritzanlagen wird das Reinigungsmedium mittels rotierender oder oszillierender Sprüharme auf die Schablone aufgebracht. Dadurch werden die Lotpastenrückstände oder der SMT-Kleber von der Oberfläche und aus den Aperturen entfernt. Alternativ sind Tauchanlagen einsetzbar, bei denen die Schablonen komplett in den Reiniger eingetaucht werden. Die Verunreinigungen werden durch die mechanische Unterstützung von Ultraschall entfernt.
2. Spülung:
Die Spülung kann anlagenabhängig in der gleichen Kammer wie die Reinigung oder in einer separaten Spülkammer erfolgen. In der Lösemittelreinigung und bei modernen, wasserbasierenden Reinigungssystemen werden die Schablonen mit dem gleichen Medium, das für die Reinigung verwendet wird, gespült. Somit ist eine getrennte Wasserspülung in der Regel nicht notwendig.
3. Trocknung:
Meist wird Um- oder Druckluft zur Trocknung der Schablonen eingesetzt.
Neben der Wahl des Anlagensystems und der Agitationsform sind viele weitere Aspekte von Seiten des Anwenders zu berücksichtigen, sei es der Durchsatz in der Produktion, das vorhandene Budget, die zur Verfügung stehenden Stellflächen, oder ähnliches. Wegen dieser komplexen Fragestellungen darf die Entscheidung für ein geeignetes Reinigungssystem nicht auf dem Papier gefällt werden. Vielmehr empfiehlt es sich, dass sich der Anwender mit Hilfe eines unabhängigen Experten in praktischen Versuchen einen Überblick über alle möglichen Reinigungsprozesse und Anlagensysteme verschafft, um die für ihn beste Kombination aus Anlage und Reiniger zu finden (Bild 1).
Selbstverständlich ist auch die Auswahl des richtigen Reinigungsmediums entscheidend für effiziente Ergebnisse bei der Schablonenreinigung. Dabei ist die optimale Abstimmung der Reinigungsmechanik und -chemie auf die Verunreinigungen besonders wichtig. Grundsätzlich stehen für die maschinelle Schablonenreinigung ebenso wie für die Unterseitenreinigung moderne Lösemittel oder wasserbasierende Medien, wie z. B. die tensidfreien MPC-Reiniger, zur Verfügung. Moderne Lösemittel zeichnen sich durch ihr breites Prozessfenster aus, das heißt sie entfernen Lotpaste und SMT-Kleber gleichermaßen gut von Schablonen. Angesichts des hohen VOC-Gehalts und der höheren Anlagenkosten, bedingt durch den nötigen Explosionsschutz, verlieren Lösemittel jedoch aus sicherheitstechnischen und ökologischen Gründen gegenüber wässrigen Reinigern zunehmend an Bedeutung. MPC-Reiniger zeigen bei allen Vorteilen wasserbasierender Systeme die gleiche Einsatzbreite wie Lösemittelreiniger und können ebenfalls sowohl Lotpasten als auch SMT-Kleber in ein und demselben Reinigungsprozess zuverlässig von der Schablone entfernen. Wegen ihrer tensidfreien Formulierung verarmen sie nicht an Wirkstoffen und trocknen rückstandsfrei ab. Die Verunreinigungen können durch einfache Filtration aus dem Reinigungsbad entfernt werden. Im Kreislauf geführt erreicht der Reiniger so extrem lange Badstandzeiten und ein wirtschaftlicher Prozess kann realisiert werden. Außerdem können diese Reiniger vom Anwender für zwei Anwendungen eingesetzt werden, zum einen für die erwähnte Unterseitenreinigung und zum anderen für die maschinelle Schablonenreinigung. Durch den Wegfall von zusätzlichem Organisations- und Handlingaufwand können somit ebenfalls Betriebskosten reduziert werden.
Fazit
Die steigenden Anforderungen bei der Herstellung elektronischer Baugruppen wirken sich zunehmend auf alle Bereiche in der SMT-Produktion aus. Auch der Schablonenreinigung muss dabei Beachtung geschenkt werden, bildet sie doch zusammen mit dem Schablonendruck die Ausgangssituation für alle nachfolgenden Produktionsschritte, wie beispielsweise der Bestückung und dem Löten. Insbesondere der Einsatz von Fine-Pitch oder PumpPrint Schablonen macht die Verwendung von unterstützenden Reinigungsmaßnahmen unverzichtbar. Nur durch die Wahl eines geeigneten Reinigungsprozesses lassen sich konstant zuverlässige und reproduzierbare Druckergebnisse erzielen. Die Reinigung vergrößert dabei das Prozessfenster im Produktionsablauf und gewährleistet, dass die heutigen und zukünftigen Anforderungen an die Sicherheit und Qualität innerhalb des Produktionsprozesses erfüllt werden. Auf der Suche nach zuverlässigen Reinigungslösungen sieht sich der Anwender einer Fülle von modernen Reinigungsanlagen und -medien gegenüber. Angesichts dessen empfiehlt sich die Zusammenarbeit mit einem Partner, der ihn kompetent und unabhängig berät und dabei Lösungswege für ihn aufzeigt und umsetzt.
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