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In der Praxis verzichtet man aus Kostengründen häufig auf einen Reinigungsprozess. Zwar erhöht dieser nachweislich die Zuverlässigkeit der Beschichtung durch die Entfernung der Rückstände, aber er bedeutet letztendlich auch zusätzliche Kosten. Ist nun ein Mittelweg möglich, der die Integration eines Reinigungsprozesses ermöglicht, ohne dabei jedoch die Gesamtkosten des Prozesses zu erhöhen?

Oftmals erfolgt für Unternehmen die Entscheidung, eine Baugruppe zu beschichten, erst dann, wenn es im Feldeinsatz zu Ausfällen kommt und die vorher stattfindenden Produktions- und Prozessschritte bereits festgelegt worden sind. In diesen Fällen wird meist so viel Lack appliziert, bis die Anforderungen an die Baugruppe erfüllt sind. Typischerweise handelt es sich dabei um Schichtdicken von bis zu 100 µm. Auf eine vorausgehende Reinigung der Baugruppen wird aber verzichtet, da dies einen zusätzlichen Arbeitsschritt darstellt und damit weitere Kosten verursacht.

Schmutz stört Beschichtung

Die Praxis zeigt jedoch, dass Aktivatoren- und Harzrückstände sowie ionische Verunreinigungen zu einer schlechten Haftung der Beschichtung oder zum Wachstum von Dendriten unter der Lackschicht führen können (Bild 1). Diese Fehlerbilder treten speziell bei Baugruppen auf, die wechselnden Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Beispielsweise kommen in der Automobilindustrie identische Bauteile in Fahrzeugen für den europäischen Markt sowie für tropische Regionen zum Einsatz, wobei unter beiden Umweltbedingungen die Funktionszuverlässigkeit der Elektronikkomponenten gleichermaßen sicherzustellen ist.

In einer gemeinsamen Studie der Firmen Nordson-Asymtek und Zestron sollte daher aufgezeigt werden, unter welchen Voraussetzungen ein zusätzlicher Reinigungsprozess für eine zuverlässige Beschichtung installiert werden kann, ohne dass dadurch die Gesamtkosten ansteigen. Für die Versuchsreihen wurden hierzu Baugruppen mit Schichtdicken von 50 µm statt standardmäßigen 100 µm lackiert. Hierdurch wollten die Experten herausfinden, ob bei einer Halbierung des Materialeinsatzes noch eine sichere Beschichtung gewährleistet ist und ob sich damit eine Prozesskette aus Reinigung und Lackierung bei gleichbleibenden Materialkosten realisieren lässt. Gegenstand der Untersuchungen war zunächst eine Oberflächenqualifikation gemäß GfKORR-Leitfaden (Gesellschaft für Korrosionsschutz) mit ungereinigten und gereinigten Testbaugruppen sowie deren Analyse auf Schwachstellen mittels Coating-Reliability-Test (CoRe-Test), bevor anschließend ein detaillierter Kostenvergleich durchgeführt wurde.

Versuchsaufbau der Studie

Tabelle 1: Ergebnisse der Oberflächenqualifikation gemäß dem GfKORR-Beschichtungsleitfaden.

Tabelle 1: Ergebnisse der Oberflächenqualifikation gemäß dem GfKORR-Beschichtungsleitfaden.Zestron

Für die Studie wurden vom Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) IPC-B-24-Testkämme (Leiter 0,4 mm, Abstand 0,5 mm, Kupferoberfläche) für die Bearbeitung zur Verfügung gestellt. Diese Prüflinge wurden teilweise mit Keramikkondensatoren bestückt, um den Einfluss der Geometrie von bestückten und unbestückten Baugruppen auf deren Ausfallzeiten zu untersuchen (Bild 2). Für den Lötvorgang wurden exemplarisch zwei Lotpasten verwendet, die weltweit in vielen industriellen Fertigungen zum Einsatz kommen. So ließ sich parallel ein möglicher Einfluss der Lotpaste auf das Ergebnis analysieren. Die Hälfte der Testkämme wurde anschließend in einer Einkammerspritzanlage mit einem wasserbasierenden Mikrophasen-Reiniger gewaschen. Sowohl bei den noch ungereinigten als auch bei den gereinigten Testkämmen wurde daraufhin eine Oberflächenqualifikation gemäß dem GfKORR-Beschichtungsleitfaden durchgeführt. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.

Die Analysen der ionischen Kontaminationsmessung zeigen, dass nach der Reinigung ausschließlich von den gereinigten Testkämmen der maximal zulässige Grenzwert von < 0,4 µg/cm² unterschritten wird. Die ionische Kontaminationsmessung gibt hierbei Auskunft über die Gesamtmenge der salzartigen Rückstände auf der Baugruppe. Die Oberflächenspannung muss über 40 mN/m liegen, um eine gute Benetzung durch den Lack zu ermöglichen. Auch diese Anforderung erfüllen lediglich die gereinigten Testkämme, wie die Messungen belegen. Bei der Messung der Aktivitoren- und Harzrückstände zeigen die durchgeführten Testverfahren, dass nur nach der Reinigung mit dem wässrigen Medium auf der Substratoberfläche keinerlei kritische Rückstände mehr nachzuweisen sind. Aktivatorenrückstände aus Flussmitteln können die Beschichtungsqualität negativ beeinflussen und Ausfallmechanismen, beispielsweise Kriechströme oder elektrochemische Migration, unter der Lackschicht auslösen. Weitere Verunreinigungen wie Harzrückstände auf der Baugruppe spielen hinsichtlich der Lackhaftung ebenso eine entscheidende Rolle, da diese zur Ablösung und Unterwanderung des Schutzlackes führen können.

Zusammenfassend wird deutlich, dass sämtliche ungereinigte Testkämme aufgrund der vorliegenden Verunreinigungen die Anforderungen des GfKORR-Leitfadens nicht erfüllen. Dies sind im Allgemeinen ungünstige Voraussetzungen für eine nachfolgende Beschichtung, unabhängig von der Menge des applizierten Lacks. Im Anschluss an die Oberflächenqualifikation wurden die Testkämme mit einem lösemittelhaltigen Schutzlack beschichtet. Wie eingangs erwähnt, wird in der Praxis standardmäßig mit Schichtstärken von 100 µm gearbeitet. Als Bezugsgröße wurde daher bei der Lackierung der ungereinigten und gereinigten Testkämme auf ebener Fläche eine Trockenschichtstärke von 50 µm verwendet. Dies gilt in Fertigungen häufig als untere Grenze für vergleichbare Anforderungen und Lacksysteme. Abschließend wurden nach siebentägiger Feuchtelagerung bei 25 °C alle beschichteten Prüfkörper dem CoRe-Test unterzogen (Bild 3).

Schwachstellenanalyse mit dem CoRe-Test

Basierend auf dem Wassertauchtest ist der CoRe-Test ein bewährtes Verfahren zur Schwachstellenanalyse in der Entwicklungsphase. Der als „worst case“-Test entwickelte CoRe-Test stellt die lokale Identifikation aller Fehlerquellen innerhalb sehr kurzer Zeit sicher. Die Baugruppe wird hierbei analog zu einer dauerhaften Betauung vollständig in entionisiertes Wasser eingetaucht. Daraufhin wird der jeweilige Ruhestrom angelegt, im Falle der durchgeführten Studie wurde mit 10 V gearbeitet. Während der gesamten Testdauer von 10 h wird dann die Ruhestromaufnahme kontinuierlich gemessen und aufgezeichnet. Diese Zeitspanne simuliert erfahrungsgemäß eine maximale klimatische Beanspruchung, die für die meisten Baugruppen im Feld ein echter Härtetest ist. Mit diesem Testverfahren lässt sich folglich relativ einfach feststellen, ob die Beschichtung die Baugruppe ausreichend schützt oder Ausfälle im Praxiseinsatz zu befürchten sind (Bild 4).

Idealerweise verändert sich der Ruhestrom beim Eintauchen in das Wasser nicht und ist über die Messdauer konstant. Kommt es jedoch aufgrund von Lackungänzen oder Verunreinigungen unter der Beschichtung zum Defekt, steigt der Strom bei einem Kurzschluss sprunghaft an. Ein zackenförmiger, stetig in Richtung Kurzschluss ansteigender Stromverlauf weist auf Dendritenwachstum infolge von elektrochemischer Migration unter der Lackschicht hin. Das Ausfallkriterium bei dieser Studie war die Zeitspanne bis zum Kurzschluss auf dem Testkamm. Je untersuchter Board-Konfiguration wurde an jeweils drei Testkämmen ein CoRe-Test durchgeführt und per Mittelwert die durchschnittliche Ausfallzeit bestimmt.

Testergebnisse zur Beschichtungsqualität

Die Auswertung sämtlicher Messreihen brachte folgende Ergebnisse zu Tage:

  • Durch die vorherige Reinigung ließ sich trotz der geringen Schichtstärke von 50 µm über die gesamte Dauer von 10 h bei keiner der Boardkonfigurationen ein Ausfall im CoRe-Test feststellen (Bild 5). Folglich wird durch die Entfernung aller Rückstände mit Hilfe eines vorgeschalteten Reinigungsprozesses die Qualität der Beschichtung und damit auch die zu erwartende Lebensdauer einer beschichteten Baugruppe verbessert beziehungsweise verlängert.

Tabelle 2: Ergebnisse des CoRe-Tests an bestückten Testkämmen.

Tabelle 2: Ergebnisse des CoRe-Tests an bestückten Testkämmen.Zestron

  • Bei ungereinigten Testkämmen zeigten die Untersuchungen, dass die Rückstände aus den Lotpasten zu vorzeitigen Ausfällen führen, wie es bereits die Ergebnisse aus der Oberflächenqualifikation vermuten ließen. Hierbei offenbarten die Testreihen mit den bestückten Testkämmen, dass auch die verwendeten Lotpasten selbst einen Einfluss auf die durchschnittliche Ausfallzeit haben (Tabelle 2). Bei der Paste A beträgt die durchschnittliche Ausfallzeit ohne Reinigung lediglich 1:30 h. Unter identischen Versuchsbedingungen beträgt die durchschnittliche Ausfallzeit 2:45 h bei der Verwendung der Paste B. Basierend auf diesen Ergebnissen spielt somit die Auswahl der Lotpaste, vor allem bei der NoClean-Fertigung, hinsichtlich der zu erwartenden Lebensdauer einer Baugruppe eine wichtige Rolle.
  • Die Analysen bestätigten außerdem, dass die Geometrie der bestückten Baugruppen Auswirkungen auf die Ausfallmechanismen hat. Bei allen unbestückten Kämmen, unabhängig von Schichtdicke und davon, ob sie gereinigt wurden oder nicht, ließ sich kein Ausfall feststellen. Ursachen für den Einfluss der Bauteilgeometrie sind vor allem Kantenflucht an den Bauteilen oder Leiterbahnen, sowie ein unterschiedliches Verlaufen des Lackes durch Kapillarwirkung. Versuche mit unbestückten Testkämmen haben dementsprechend nur eine sehr geringe Aussagekraft. Um eine realistische Aussage treffen zu können, sollten ausschließlich praxisgerechte Prüfkörper mit entsprechender Bestückung Anwendung finden.

Die Analyse der Messergebnisse zur Beschichtungsqualität zeigt, dass sich durch einen vorgeschalteten Reinigungsprozess die ursprüngliche Schichtstärke der Schutzlackierung von 100 µm auf 50 µm reduzieren lässt und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der Beschichtung auch unter einem extremen Testumfeld sichergestellt ist. Teil eins des Studienziels „eine zuverlässige Beschichtung“ konnte damit erfüllt werden. Für den zweiten Teil der Studie stellte sich die Frage, was nun der zusätzliche Reinigungsschritt hinsichtlich der Produktionskosten bedeutet. Eine Gegenüberstellung soll Klarheit in diese Angelegenheit bringen.

Gleiche Kosten trotz zusätzlicher Reinigung

Für die Modellrechnung (Tabelle 3) soll angenommen werden, dass ein Unternehmen A die produzierten Baugruppen vor der standardmäßigen Schutzlackierung mit 100 µm Schichtdicke nicht reinigt. Gegenübergestellt wird ein Unternehmen B, das einen vorgeschalteten Reinigungsprozess im Einsatz hat. Dabei handele es sich um eine typische Einkammerspritzanlage, die im Einschichtbetrieb bei einem durchschnittlichen Reinigerverbrauch von 0,5 l pro Zyklus eingesetzt wird. Zur Sicherstellung der Qualität des Reinigungsbades wird mit einem quartalsmäßigen Badwechsel und damit mit jährlichen Kosten von etwa 526 Euro gerechnet. Jährlich fallen für die Reinigungsanlage selbst inklusive Abschreibungen, Wartung und Energieverbrauch rund 10.000 Euro an Anlagenkosten an.

Tabelle 3: Modellrechnung einer Produktion mit Reinigung und Schutzlackierung.

Tabelle 3: Modellrechnung einer Produktion mit Reinigung und Schutzlackierung.Zestron

Die Menge der bearbeiteten Substrate pro Tag sei in beiden Fällen identisch. Lediglich die Menge des applizierten Lacks sei bei Unternehmen B mit einer Schichtdicke von 50 µm gemäß der zuvor genannten Testergebnisse um 50 Prozent reduziert. Die Kalkulation zeigt, dass durch die Halbierung des Stoffeinsatzes bei der Beschichtung die Integration eines Reinigungsprozesses ohne Kostensteigerung möglich ist. So steigen die Gesamtkosten für Unternehmen B trotz zusätzlicher Reinigung nicht an, sondern sind im Wesentlichen identisch mit den Gesamtprozesskosten des Unternehmens A, das auf einen Reinigungsschritt verzichtet. Zudem profitiert Unternehmen B aufgrund des Reinigungsprozesses, wie bereits geschildert, von einer Verbesserung der Beschichtungsqualität und damit einer Verlängerung der Produktlebensdauer.

Die Studie bestätigt, dass sich durch den Einsatz eines Reinigungsprozesses die Funktionszuverlässigkeit einer beschichteten Baugruppe und damit die gesamte Produktqualität verbessern. Dies ist insbesondere für High-End-Anwendungen, die unter strengen klimatischen Einflüssen zum Einsatz kommen, von Bedeutung. Die wesentliche Erkenntnis dieser Technologiestudie ist jedoch, dass in Verbindung mit einem abgestimmten Reinigungsprozess selbst bei einer Halbierung der ursprünglichen Schichtstärke noch eine hohe Zuverlässigkeit der Baugruppen erzielt werden kann. Gleichzeitig erhöhen sich aufgrund des reduzierten Stoffeinsatzes bei der Lackierung die Gesamtkosten nicht. Somit kann der Anwender einen sehr kosteneffizienten Fertigungsprozess realisieren und darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile wie reduzierter Lackverbrauch und Energieeinsatz als auch ein höherer Yield.

Reinigen lohnt sich

Eine gemeinsame Studie der Firmen Nordson-Asymtek und Zestron zeigte, dass die Reinigung elektronischer Baugruppen vor dem Beschichten eine wichtige Voraussetzung für eine ressourceneffiziente Fertigung ist. Durch eine aufeinander abgestimmte Prozesskette ist dieser zusätzliche Produktionsschritt dabei ohne Mehrkosten für den Materialeinsatz implementierbar.

SMT Hybrid Packaging 2013:
Zestron: Halle 7, Stand 314
Nordson-Asymtek: Halle 6, Stand 434A

Dr. Alexandra Rost

Anwendungstechnik von Zestron Europe.

Gerd Schulze

ist Sales Manager der Electronics Systems Group von Nordson-Asymtek.

(mrc)

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