20EE-Kolleg_Podiums-Gruppe

(Bild: Marisa Robles)

Unter dem Motto „Powerelektronik/High Reliability und Smart Processes” stellten sich die langjährigen Experten zwei aktuellen Themenschwerpunkten. Zackig durch die einstündige Diskussionsrunde führte Dr. Hans Bell, Forschungsleiter von Rehm Thermal Systems, der die Elefantenrunde auch als „einmalig“ bezeichnete: „Noch nie waren alle Geschäftsführer der Veranstaltung zu einer Podiumsdiskussion vereint.“ Bell wurde in seiner Moderation von Günter Grossmann vom EMPA unterstützt.

20EE-Kolleg_Podiums-Gruppe mit Bell

Alle Geschäftsführer der Veranstalter des EE-Kollegs gaben sich in der Abschlussdiskussion gaben ein pfiffiges Stelldichein. Marisa Robles

Materialien und Reinigung im Visier

Wie werden Fertigungsprozesse in der Zukunft aussehen? Welche neue Technologien gibt es? Und wie wird sich der Maschinen- und Anlagenbau hinsichtlich IoT und Industrie 4.0 entwickeln? Das waren die Kernfragen der Podiumsdiskussion, die auch die Zuhörer einbezog. Doch der Blick in die Zukunft ist gepflastert mit den Herausforderungen der Gegenwart. Gerade die Entwicklungen im Automobilbereich treiben die Anforderungen in der Leistungselektronik voran. Themen wie Zuverlässigkeit und Korrosionsschutz spielen eine bedeutende Rolle. Gerade die Zuverlässigkeit einer elektronischen Baugruppe hängt von vielen Faktoren ab, die sich wie ein Bogen beginnend mit der richtigen Lotpastenauswahl über die richtigen Druckparameter und der akkuraten Bestückung bis hin zum richtigen Lötprofil spannen. Daher wirft Josef Jost, Senator h.c. und Commercial Management Director von Balver Zinn, die Wichtigkeit der richtigen Lotpastenauswahl in die Diskussion: „Für uns als Lotmittelhersteller ist die Elektromobilität ein großes Thema, weil wir schon vorher wissen müssen, was der Kunde am Ende benötigen wird. Wir müssen früh abschätzen, welche Systeme wir kreieren müssen, um die Zuverlässigkeit in der Leistungselektronik sicherzustellen und auch zu erhöhen.“ Dazu gehöre etwa, Systeme zu konzipieren, die beispielsweise den Korrosionsschutz erhöhen oder Lotpasten zu entwickeln, deren Rückstände auf der Leiterplatte sich leichter reinigen lassen.

Auch an die Reinigung elektronischer Baugruppen sind Anforderungen gestellt, ist sie doch vor allem bei klimafester Elektronik für Automobile unabdingbar. Zu berücksichtigen sind einerseits die Komplexität der Baugruppen mit ihrer hohen Packungsdichte, andererseits aber auch die teils unbekannte Chemie der Lötmaterialien. Und gerade wegen der hohen Leistungsanforderungen – beispielsweise führen DCB-Substrate (Direct Copper Bond) Ströme von bis zu mehreren 1000 V in Temperaturbereichen von bis zu 200° C – müssen diese Bauteile vor weiteren Arbeitsprozessen wie Drahtbonden, Vergießen oder Lackieren absolut frei von Produktionsrückständen sein. „Die gründliche Entfernung von Flussmittel, Kolophonium, Harz, Kupferoxid und Löthilfswerkstoffen sind die Hauptaufgaben bei der Reinigung von DCBs, Hybriden und Baugruppen, um hier für die Folgeprozesse entsprechend prozesssichere Baugruppen anbieten zu können“, betont daher Christian Linker, Miteigner von Kolb Cleaning Technology. Er weist noch auf eine Besonderheit hin: „Bei sehr engen Spalten zwischen den Bauteilen ist es wichtig, gut ätzende Medien zu verwenden, weil man hierbei die Kriechfähigkeit der Reinigunsmedien ausnutzen muss.“ Das Unternehmen bietet für die Reinigung von DCB-Substraten den kompletten Reinigungsprozess aus einer Hand: inklusive Maschinen, Zubehör, Reiniger und speziell abgestimmter elektronischer Prozesssteuerung. Hans Bell von Rehm Thermal Systems hakt jedoch nach: „Wie lässt sich sicherstellen, dass bei der Entwicklung von neuen Reinigungssystemen keine Gefahrstoffe respektive verbotene Materialien enthalten sind?“ Man müsse unterscheiden zwischen Gefahrstoffen und Materialien, reagiert Linker: „Es gibt Listen und verbotene beziehungsweise einschlägige Stoffe finden sich im Index. Natürlich sind alle Kolb-Chemieprodukte komplett ReACH-konform.“

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Christian Linker von Kolb Cleaning Technology und Josef Jost von Balver Zinn. Marisa Robles

Wechselwirkung der Materialien

Auch bei der Reparatur und Nachbearbeitung der Baugruppen spielt die Reinigung eine essenzielle Rolle. Bei der Reparatur werden Bauteile aus- und wiedereingelötet. Welche Substanzen dabei gelöst werden und vielleicht die gerade ausgelöteten Endoberflächenbereich kontaminieren könnten, ist nicht immer zweifelsfrei geklärt. „Ohne Reinigung geht es nicht“, pflichtet Janos Tolnay, Geschäftsführer von Zevac, bei. Um eine möglichst kontaminationsfreie Endoberfläche zu erhalten, wird das Restlot berührungslos abgesaugt: „Dadurch wird die Landefläche nicht beschädigt. Darauf folgt eine selektive Reinigung auf der Endoberfläche. Beim Wiedereinlöten des neuen Bauteils geht es vor allem darum, so wenig Flussmittel und Lotpaste wie möglich zu verwenden.“

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Christian Koenen von CK Christian Koenen, Christian Linker von Kolb Cleaning Technology und Josef Jost von Balver Zinn. Marisa Robles

Das hört sich einfach an, ist aber alles andere als trivial, denn auch hier stellt sich das Problem der Materialien. Weltweite Forschungsaktivitäten zu bleifreien Loten haben gezeigt, dass es bis heute keine Universallösung für bleifreie Weichlote gibt und noch viele Fragen offen sind. Zu den Wechselwirkungen zwischen den derzeit verwendeten Anschlussmetallisierungen und neuen Lotwerkstoffen und den damit verbundenen temperaturabhängigen Gefügeveränderungen innerhalb der Lötverbindungen, die eine erhebliche Auswirkung auf die Zuverlässigkeit erwarten lassen, sind nur unzureichende Aussagen vorhanden. Über die Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit bei der Kombination verschiedener Lotwerkstoffe bestehen keine Erkenntnisse, weshalb Janos Tolnay anmerkt: „Das kann vor allem bei einer Reparatur oder Nacharbeit zu Problemen führen, wenn eine unzureichende Produktkennzeichnung vorliegt.“ Zevac ist daher in verschiedenen Forschungsprojekten aktiv.

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Johannes Rehm von Rehm Thermal Systems und Janos Tolnay von Zevac. Marisa Robles

Und wie sieht es in der Fertigungs-Realität aus? Die Reaktion der Zuhörer war zur Überraschung der beiden Moderatoren Hans Bell und Günter Grossmann eher verhalten. „Reinigt denn niemand von Ihnen?“, setzt Günter Grossman nach. Stefan Baur, Geschäftsführer von BMK, meldet sich schließlich zu Wort: „Wir reinigen bei Fehldrucken oder im Vorfeld von Beschichtungen. Das sind jedoch eher Sonderanforderungen. Was man schon reinigen muss, sind Schablonen und Lötwerkzeuge – das ist ganz wichtig für die Qualität.“

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Josef Jost von Balver Zinn, Johannes Rehm von Rehm Thermal Systems und Janos Tolnay von Zevac. Marisa Robles

Schablonendruck vs. 3D-Druck

Elektrisch getriebene Fahrzeuge benötigen extrem komplexe Systeme. Die Anzahl der montierten Bauteile wächst. Kunden stehen vor der Herausforderung, kleinste Bauelemente wie 03015m und Stecker auf eine Leiterplatte löten zu müssen. „Wir haben bereits im Jahr 2005 schon die gefräste Stufenschablone angeboten, bei der man den Raum für das Lotvolumen für Bauteile festlegen kann. Wir können auch eine Stufe in der Stufe machen, Step-auf und Step-ab, um genau die Lotpastenmenge zur Verfügung stellen, die das Bauteil benötigt“, erläutert Christian Koenen, Eigner und Gründer des gleichnamigen Unternehmens. Das Ganze werde verfeinert mit Veredelungsverfahren wie Elektropolieren oder Plasmabeschichtung, argumentiert er: „Für die Plasmabeschichtung haben wir einen eigenen Reaktor, sodass wir diese Beschichtungsvariante selbst auftragen können. Dieses Verfahren hat sehr viel Potenzial.“

Die Teilnehmer der Podiumsdiskussion:

  • Christian Koenen, Eigner und Gründer des gleichnamigen Unternehmens
  • Christian Linker, Miteigner von Kolb Cleaning Technology
  • Josef Jost, Commercial Management Director von Balver Zinn
  • Johannes Rehm, Eigner und Geschäftsführer von Rehm Thermal Systems
  • Janos Tolnay, Geschäftsführer von Zevac
  • Klaus Mang, Geschäftsführer und Miteigner (zusammen mit Werner Kreibl) von Asys Group
  • Günter Schindler, Geschäftsführer der Siplace-Sparte von ASM Assembly Systems

Moderation:

  • Dr. Hans Bell, Forschungsleiter von Rehm Thermal Systems
  • Günter Grossmann vom EMPA

Der Schablonendruck ist ein massetaugliches Verfahren. Die nächste sich ankündigende Stufe ist der 3D-Druck. Asys-Tochter Ekra beschäftigt sich seit längerem mit dem 3D-Druck unterschiedlicher Materialien, um beispielsweise Mikrosysteme herzustellen. „3D-Druck ist uns quasi angeboren“, nimmt Klaus Mang, Geschäftsführer und Miteigner von Asys Group (mit Werner Kreibl), Anlauf. Gemeinsam mit der TU Chemnitz und der Fraunhofer IFAM wurde bereits das Forschungsprojekt „PriMa3D – Siebgedruckte Komponenten für elektrische Antriebe“ umgesetzt. Das Fraunhofer IFAM fertigt nun die ausgelegten Bauteile mittels 3D-Druckverfahren und versintert sie zu stabilen Teilen. Trotz dieses zuversichtlich stimmenden Forschungsprojekts ist seine Euphorie eher verhalten: „Bislang haben wir den 3D-Druck so noch nicht umsetzen können, da wir im Moment noch keine Kundenanforderungen haben. Aber die Zeiger stehen ganz klar auf Wachstum. Wir kommen aus der 2D-Welt und bei der 3D-Welt geht es letztlich darum, einfach Schicht für Schicht aufzustocken. Dabei habe ich die Möglichkeit, in dieser Aufschichtung alles Mögliche wie etwa Kanäle zu integrieren.“

20EE-Kolleg_Zevac-Asys-ASM

Janos Tolnay von Zevac, Klaus Mang von Asys Group und Günter Schindler von ASM Assembly Systems. Marisa Robles

Das große Thema ist jedoch das Material, das man hierzu benötigt. Während die Piezokeramik klare Anweisungen zu Materialien und Zusammensetzung vorschreibt, müssen beim 3D-Druck die Materialien erst noch anwendungsspezifisch zusammengesetzt und vorbereitet werden, weshalb Mang anmerkt: „Diese Anforderungen sind erst noch am Werden.“ Der 3D-Druck geht auch an den Lotmaterialienherstellern nicht spurlos vorbei. Bei Balver Zinn beobachtet man die Entwicklungen mit Argusaugen: „Wir haben uns beispielsweises in einem Projekt damit beschäftigt, wie man Löcher, die extra im 3D-Druck hergestellt worden sind, metallisieren kann. Natürlich gibt es die Standard-Galvanik, aber wenn man das integrativ im 3D-Druck-Verfahren umsetzen will, dann sind zusätzliche Kapazitäten gefordert, die während des 3D-Drucks die entsprechende Metallisierung möglich macht“, erläutert Josef Jost. Die Elektronikfertigung stecke da noch in den Kinderschuhen, bekräftigt er, aber: „Das ist die Technologie der Zukunft. Wir können uns dem nicht verschließen“, mahnt er. Denn wenn die ersten Kunden in 3D-Drucker investierten, werde ein Legierungsstoff für die Kontaktierung notwendig werden, die sich als Metallisierungsschicht einbauen ließe. „Ob das ein Draht ist, der sich einschmelzen lässt, oder ein entsprechender Wunderwerkstoff, der sich in 3D-Druck hinein einbauen lässt – das sind Anforderungen, die uns in der Zukunft beschäftigen werden, weil es Industriestandard werden wird – vor allem in Hinblick auf Industrie 4.0. Da wird der 3D-Druck einfach dazugehören.“ Christian Koenen sieht das ähnlich: „Prinzipiell ist es durchaus vorstellbar im Druckprozess Metalle und Polymere zu kombinieren. Wir haben das Application-Center und da können wir alle Kundenanforderungen simulieren“, lädt er zum Hauptstandort nach Ottobrunn ein.

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Klaus Mang von Asys Group und Günter Schindler von ASM Assembly Systems. Marisa Robles

SMT-Bestückung der wachsenden Komplexität anpassen

Im Bereich der Unterhaltungselektronik sind permanente Miniaturisierungsprozesse zu beobachten. Elektroniken für autonome Fahrsysteme bestimmen hingegen einen ganz anderen Trend: High-Power- und High-Voltage-Applikationen werden immer größer, komplexer und müssen dennoch so zuverlässig sein, dass den Systemen ein Menschenleben anvertraut werden kann. In der SMT-Wertschöpfung wird der Bestückung von Bauteilen und Komponenten eine extrem hohe Präzision, Geschwindigkeit und Flexibilität abverlangt. Für hohe und variantenreiche Bestückanforderungen auf kleinem Footprint bietet ASM Assembly Systems bereits patente Lösungen an. Prozesstechnisch ist es nach wie vor eine Kür, auf der einen Seite sehr kleine und feine Bauelemente sehr genau zu bestücken und gleichzeitig große Odd-Shade-Komponenten zu handhaben, stellt Günter Schindler, Geschäftsführer der Siplace-Sparte von ASM Assembly Systems, klar. Greifer-Technologien oder spezielle Pipetten seien unabdingbar, aber: „Da müssen wir uns auf die Bestückköpfe verlassen können, die sehr flexibel, zuverlässig und mit ausreichender Bestückkraft ausgestattet sind.“ Drei Bestückkopfsysteme für die jeweiligen Anforderungen hält ASM derzeit bereit. Doch damit allein ist es nicht getan: „Zudem müssen die teils schweren Leiterplatten, die oft auch Verwölbungen aufweisen, präzise bestückt werden. Das geht nur mit einem integrierten Visionssystem im Bestückkopf und zahlreichen Sensoren, die die hohe Bestückleistung bei auf die Bauelemente jeweils angepasste Bestückkraft sicherstellen.“

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Günter Grossmann vom EMPA und Stefan Baur von BMK Group. Marisa Robles

Die nächste Zukunft hält noch weitere Anforderungen bereit: Die Möbelindustrie und designverliebte Architekten begünstigen die Nachfrage nach überlangen Boards für die LED-Beleuchtung. Und auch die farbverlaufende Interieurbeleuchtung im Auto treibt die LED-Entwicklung voran. Worauf muss sich der Bestückautomatenhersteller künftig einstellen? „Leiterplatten mit bis zu 1,5 m Länge stellen in der Bestückung keine wesentlichen Probleme dar. Interessanter wird es jedoch bei den immer mehr aufkommenden Panellevel-Anwendungen“, verdeutlicht Schindler. „Bei Panellevel-Anwendungen erreichen wir bei Panels von 600 mm x 650 mm eine Bestückgenauigkeit von 15 µm bei gleichbleibender Bestückgeschwindigkeit, Wenn wir kleiner werden – also bei 10 µm – geht das zu Lasten der Bestückgeschwindigkeit. Dann ist eine Bestückgeschwindigkeit von bis zu 150.000 BE/h nicht mehr gegeben, sondern da können wir nur noch 36.000 BE/h leisten.“

21. EE-Kolleg

Technologietagungen dienen dem Erfahrungsaustausch. Daher wird die erfolgreiche Technologieveranstaltung des EE-Kolleg weiterhin fortgeführt. Das 21. EE-Kolleg wird vom 21. bis 25. März 2018 wie gewohnt auf Mallorca stattfinden.

Löten im Vakuum – ohne geht’s immer weniger

In den letzten Jahren sind die Anforderungen auf die Zuverlässigkeit der Lötstelle enorm gestiegen. Vor allem die Anforderungen in der Leistungselektronik, argumentiert Johannes Rehm, Eigner und Geschäftsführer von Rehm Thermal Systems: „Lötverbindungen mit wenigen Lufteinschlüssen sicherzustellen haben uns angespornt, verschiedene Lötsysteme in Kombination mit der Vakuumtechnik zu entwickeln, die voidfreie, also porenfreie, lunkerfreie oder blasenfreie Lötverbindungen von 98 Prozent ermöglichen.“ In Standard-Reflow-Lötanlagen hat Rehm Vakuummodule integriert, die sich je nach Bedarf zu- oder abschalten lassen, um rückstandsfreie Lötverbindungen gewährleisten zu können. Günter Grossmann fragt auch bei diesem Thema den Stand der Praxis bei den Zuhörern ab. Tatsächlich ist voidfreies Löten ein heißes Eisen. Stellvertretend für viele Anwender äußert sich ein Zuhörer: „Wir wollten die Voids unter Kontrolle halten und standen vor der Aufgabe, dass die Voidanzahl kleiner einer bestimmten Prozentzahl sein musste, oder wir hätten diese stets nachprüfen müssen. Prüfen lässt sich dies mit Röntgensystemen. Aber auch das ist viel zu teuer, weshalb wir uns für ein Vakuumsystem entschieden haben.“ Doch damit ist das Porfolio von Rehm noch lange nicht erschöpft. Kontaklöstsysteme, die ein lunker- und flussmittelfreies Löten bis 450 °C mit verschiedenen Prozessgasen erlauben, sind ebenfalls im Programm. Hierbei ist auch der Einsatz von bleifreien/bleihaltigen Preforms und Pasten möglich. Diese Lötsysteme mit Vakuum sind zum voidfreien Löten von verschiedenen Bauteilen wie IGBTs auf DCB-Substraten geeignet.

20EE-Kolleg_Hans Bell-Rehm

Dr. Hans Bell von Rehm Thermal Systems führte durch die Moderation der Podiumsdiskussion. Marisa Robles

Zudem beschäftigt sich Rehm auch mit einer weiteren Kundenanforderung, dem selektiven oder auch ganzflächigen Lackieren elektronischer Baugruppen, vor allem für spezielle Automotivebereiche. Dadurch lassen sich Baugruppen vor Beschädigung durch Korrosion oder andere Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Chemikalien und Staub schützen. Schließlich geht es auch darum, die Zuverlässigkeit der Baugruppen zu testen, bevor sie im Fahrzeug verbaut wird. Bei sehr vielen sicherheitsrelevanten Baugruppen werden entsprechende Funktionstest sowohl im Kalt- als auch Warmbereich durchgeführt. Dadurch ist es möglich, die Beständigkeit von sensibler Elektronik unter extremen Temperaturen zu analysieren.

EE-Kolleg_Gruppe mit Gustl

Gustl Keller fand mittels einem Gstanzl anerkennende Worte: „20 Jahre EE-Kolleg – das sind 100 Tage, die sich gelohnt haben.“ Marisa Robles

Marisa Robles

Chefredakteurin Productronic

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