Für die Studie wurden Simulationen für die Außen- und Spaltströmung durchgeführt und die Ergebnisse mit Laborversuchen validiert. Bei den Simulationen wurden die am Reinigungsprozess beteiligten Medien sowie die Rolle der Stoffeigenschaften dieser Medien separat betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass ein Maximieren der Druckdifferenz zwischen Strömungseingang und -ausgang eines Spaltes erstrebenswert ist. Die Druckdifferenz hängt dabei vorrangig von der Umströmungsgeschwindigkeit des Bauteils ab. Die Viskosität des Mediums hingegen besitzt geringe Auswirkungen auf die Außenströmung und damit den Reinigungserfolg. Im Falle der Spaltströmung zeigen die Simulationen, dass die Viskosität der im Spalt strömenden Medien geringe Auswirkung auf die Reinigungsgeschwindigkeit hat. Die Spaltentleerung ist vom Verhalten der Grenzflächen zwischen Reiniger und Verunreinigung abhängig. Für einen Reinigungsprozess bedeutet dies, dass die chemischen Reaktionen zwischen Reinigungsmedium und Verunreinigung nicht nur für das Auflösen der Verunreinigung verantwortlich sind, sondern auch maßgeblich den Abtransport der gelösten Rückstände beeinflussen.

Bild 1: Schema Kondensatorarray frontal (links), Seitenansicht (rechts).

Bild 1: Schema Kondensatorarray frontal (links), Seitenansicht (rechts). Zestron

Rolle der Strömungsmechanik

Der zuverlässige Betrieb von Elektronik benötigt oft Prozesse zur Entfernung kritischer Verunreinigungen. Besonders beim Löten zugegebenes Flussmittel, welches die Korrosions- und Kriechstrombeständigkeit beeinflusst, gilt es hierbei von der Leiterplatte zu lösen und zu entfernen. Oberflächenmontierte Kondensatoren stellen durch ihre abstehende Struktur hohe Anforderungen an Reinigungsprozesse. Lötrückstände benetzen bei einer dicht bestückten Arraybauweise schwer zugängliche Mikrospalte, in denen Reibungs- und Grenzflächenkräfte das Verhalten der Reinigung dominieren [1]. In dieser Studie soll ein besseres Verständnis über die Rolle der Strömungsmechanik bei der Reinigung am Beispiel von Kondensatorarrays vermittelt werden. Diese wurden gewählt, da sie typische SMT-Komponenten mit geringen Spaltmaßen repräsentieren.

Bild 2: Verhalten des Reinigungsmediums bei der Umströmung des Arrays [3].

Bild 2: Verhalten des Reinigungsmediums bei der Umströmung des Arrays [3]. Zestron

Verhalten des Reinigungsmediums; Schema Strömungsablösungen an einer Stufe (unten) [3].

Verhalten des Reinigungsmediums; Schema Strömungsablösungen an einer Stufe (unten) [3]. Zestron

Durchführung der Simulationen

Zur Erstellung der Rechennetze und zur numerischen Lösung wurde die freie Software OpenFOAM 3.0.1 verwendet. Diese ist für Probleme der Kontinuumsmechanik ausgelegt und stellt sicher, dass die Simulationsdaten an den Schnittstellen der empfohlenen Diskretisierung übertragen werden [2]. Für die Auswertung wurde das Tool ParaView 5.0.1 verwendet. Für die numerische Mehrstoffsimulation wurde ein Modell eines 5 x 5 Kondensatorarrays erstellt, ähnlich einer realen Probe (Bild 1, Tabelle 1).

Die Strömung löst sich vor den Kondensatoren ab, legt sich an der Oberseite des jeweiligen Bauteils wieder an und bildet ein Totwassergebiet hinter dem letzten Element des Arrays (Bild 2). Zusätzliche Komplexität entsteht durch die Zwischenräume entlang der x- und y-Achse. Während die senkrecht zur Anströmung stehenden Sprünge Wirbel erzeugen, bilden die Zwischenräume entlang der y-Achse Kanäle. Die Strömung in den Kanälen wirkt sich dämpfend auf die Druckverteilung aus. Die Vernachlässigung der Kanalströmung in der Simulation des Arrays in der xz-Ebene führt zu höheren Unterdrücken entlang der x-Achse. Besonders die Spalte der vorderen Kondensatoren weisen im 2D-Rechenraum höhere Differenzdrücke auf, welche teilweise negativ sein können. Die Effekte der Kanäle werden durch geringe Anströmgeschwindigkeiten verstärkt. Durch eine Erhöhung der Umströmungsgeschwindigkeit nähert sich somit der 3D-Druckverlauf dem der 2D-Simulation an. So können in der vorliegenden Arbeit die Ergebnisse aus der 2D-Simulation auf den 3D-Druckverlauf übertragen werden.

Einfluss der Dichte und Viskosität auf die Spaltströmung

Zum Zeitpunkt t=0 ruht das Reinigungsmedium um die Arrays und wird dann rasch auf die Geschwindigkeit U∞=300 mm/s beschleunigt. Dieser initiale Reinigungsimpuls sorgt für eine Bewegung der Spaltinhalte für wenige 100 ms in Richtung der Umströmung. Die Viskosität des Flussmittels vF zeigt einen indirekt proportionalen Einfluss auf die Spaltgeschwindigkeit (Bild 3 links). Hierbei wird die Dichte mit pR = pF = 1000 kg/m3 und die Viskosität des Reinigers mit 1∙10−6 m2/s konstant gehalten. Zur Untersuchung des Einflusses der Dichte werden die Viskosität beider Stoffe mit vF = 2∙10−6 m2/s und vR = 1∙10−6 m2/s und Dichte des Reinigungsmediums pR mit 1000 kg/m³ konstant gehalten und die Dichte des Flussmittels pF geändert (Bild 3 rechts). Mit sinkender Flussmitteldichte pF steigt der Betrag der Spaltgeschwindigkeit..

Bild 3: Einfluss der Viskosität (links) und der Dichte des Flussmittels (rechts) auf die Spaltgeschwindigkeit.

Bild 3: Einfluss der Viskosität (links) und der Dichte des Flussmittels (rechts) auf die Spaltgeschwindigkeit. Zestron

Einfluss der Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannungen beeinflussen nicht nur die Reinigungsgeschwindigkeit stärker als vorherige Parameter, sondern entscheiden auch darüber, ob eine Spaltentleerung überhaupt erfolgt. Die beiden Grenzflächen des austretenden Flussmittels bilden hierbei die Kontaktwinkel α K zu den Oberflächen des Kondensators und α P zur Leiterplatte. Die resultierenden Kapillardrücke der Grenzflächen Δpσ,i im Spalt und Δpσ,a am Austritt aus dem Spalt sind von der Oberflächenspannung zwischen Reiniger und Flussmittel abhängig, wobei negative Druckdifferenzen das Flussmittel daran hindern, aus dem Spalt auszutreten und positive Differenzen beim Austritt helfen. Die Variation des Benetzungswinkels und damit der Kapillardrücke zeigt, dass sich eine positive Druckdifferenz in Kombination mit einer hohen Oberflächenspannung zwischen den Phasen vorteilhaft auswirkt. So veranschaulichen Simulationen für Benetzungswinkel 135° < α < 180° den Effekt eines positiven Gesamtdifferenzdruckes am dritten Spalt des Arrays. Ohne den Einfluss der Oberflächenspannung wird dieser durch natürliche Druckdifferenz gereinigt. Bei α = 160° wird ein Punkt erreicht, an welchem der Betrag der Druckdifferenz die natürliche Druckdifferenz des Spaltes übertrifft (Bild 4 (b)). Der initiale Reinigungsimpuls wird nicht umgekehrt, sodass das Flussmittel in Strömungsrichtung entfernt wird. Dagegen erfolgt die Spaltentleerung bei α = 120° entgegen der initialen Strömungsrichtung (Bild 4 (a)). Die Reinigungsgeschwindigkeit ist bei α = 160° durch Mithilfe der Grenzfläche wesentlich höher.

Einfluss der Umströmungsgeschwindigkeit

Den stärksten Einfluss auf die natürliche Druckdifferenz Δp zwischen Spalteingang und -ausgang hat die Anströmgeschwindigkeit U∞, zusammen mit Geometrie-skalierung und Viskosität, ausgedrückt durch die Reynolds-Zahl Re. Eine Änderung der Druckdifferenz führt zu einer Veränderung der Druckbeiwerte an Spalteintritt und -austritt Δcp. Es ist anzunehmen, dass der Wert Δcp auch von der Viskosität des Reinigungsmittels und Störungen des Strömungsbildes abhängt, da dies für die Wirbelbildung zwischen den Kondensatoren maßgebend ist. 3D-Simulationen zeigen einen nicht konstanten Verlauf des Parameters Δcp über Re (Bild 5). Die größten Verlaufsänderungen treten in den Spalten der 2. und 3. Reihe auf, wo sogar eine Umkehr der Reinigungsrichtung durch negative Werte der Druckbeiwert-Änderung festgestellt wird (Bild 5 rechts). Es wird vermutet, dass dort die Verteilung der Druckbeiwerte durch die Ablösezonen und das Totwassergebiet an der Oberkante beeinflusst wird (Bild 6), da dessen Wiederanlegelänge XL unter Umständen die betroffenen Kondensatoren erreicht.

Bild 4: Umkehr der Reinigungsrichtung am dritten Spalt des Arrays durch den Einfluss der Oberflächenspannung.

Bild 4: Umkehr der Reinigungsrichtung am dritten Spalt des Arrays durch den Einfluss der Oberflächenspannung. Zestron

Ergebnisse der Strömungsversuche im Labor

Durch den Einfluss der Grenzflächenspannung ist eine Reinigung mit Wasser bei Anströmgeschwindigkeiten U∞ ≤ 300 mm/s nicht möglich. Daher wurde ein lösemittelbasierter Reiniger zusammen mit einem flussmittelähnlichen Farbstoff eingesetzt. Das Array aus Tabelle 1 wurde mit Farbstoff verunreinigt und am Rand eines Becherglases, gefüllt mit Reiniger, fixiert. Die Probe wurde anschließend durch eine zirkulierende Strömung gereinigt. Durch die Reaktion des Reinigers mit dem Farbstoff wird die Oberflächenspannung so weit herabgesetzt, dass die Spalte selbst bei einer Anströmgeschwindigkeit von
240 mm/s vollständig gereinigt werden. Dabei scheint die zusätzliche Geschwindigkeitskomponente entlang der y-Achse für die asymmetrische Umströmung verantwortlich zu sein. Eine Simulation der Reinigung unter einem Anströmwinkel von 45° weist ähnliche Dreiecksmuster auf (Bild 7 oben). Die hierbei vernachlässigten Einflüsse der gekrümmten Strömung und der Oberflächenspannung könnten den Effekt verstärken. Die Reinigungsversuche zeigen, dass mit einfachen Versuchsaufbauten gute Übereinstimmung mit simulierten Strömungen erzielt werden kann. Experimentelle Validierung der Simulationsdetails erfordert jedoch einen komplexeren Versuch, um bessere Vergleichbarkeit mit der Simulation zu gewährleisten.

Bild 5: Abhängigkeit der Druckbeiwert-Änderung von Reynolds-Zahl für Spalt 1 (links) und Spalt 2 bis 5 (rechts).

Bild 5: Abhängigkeit der Druckbeiwert-Änderung von Reynolds-Zahl für Spalt 1 (links) und Spalt 2 bis 5 (rechts). Zestron

Zusammenfassung und Ausblick

Mit dem Ziel, ein besseres Verständnis für den Einfluss der Strömungsmechanik auf die Reinigung von Kondensatorarrays zu erlangen, wurden numerische Untersuchungen durchgeführt. Durch die Unterteilung in Spalt- und Außenströmung konnten die am Reinigungsprozess beteiligten Medien und die Rolle der Stoffeigenschaften separat voneinander betrachtet werden. Während die Änderung von Dichte und Viskosität nur eine geringe Auswirkung auf die Reinigungsgeschwindigkeit hat, ist der Erfolg einer Spaltentleerung an das Verhalten der Grenzflächen gebunden. Durch die Größe der Spalte kann selbst die Kapillarwirkung geringer Oberflächenspannungen das treibende Druckpotenzial übertreffen und eine Reinigung verhindern. Für einen Reinigungsprozess bedeutet dies, dass die chemischen Reaktionen zwischen Reinigungs- und Flussmittel nicht nur für das Auflösen des Flussmittels verantwortlich sind, sondern über das Verhalten der Grenzflächen auch maßgeblich über den Abtransport der verflüssigten Lötrückstände entscheiden.

Die natürliche Druckdifferenz stellt den entscheidenden Parameter der Außenströmung dar und hängt hauptsächlich von der Umströmungsgeschwindigkeit des Reinigungsmediums ab. Die Viskosität des Reinigungsmediums bewirkt lediglich geringe Änderungen. Dennoch konnten durch Strömungseinschränkungen plötzliche Wechsel in der Richtung und Größe der Druckgradienten festgestellt werden. Die Ergebnisse der numerischen Simulation konnten anhand von einfachen Laborversuchen nachvollzogen werden. Eine detaillierte Validierung mit komplexeren Versuchsaufbauten ist Gegenstand weiterführender Untersuchungen.

Aufnahme des Reinigungsversuches...

Aufnahme des Reinigungsversuches… Zestron

Quellen

[1] STRAUSS, Rudolph, 1998. SMT soldering handbook. 2. ed. Oxford u.a.: Newnes. ISBN 978-0-7506-3589-4.

[2] GREENSHIELDS, Christopher J., 2016. OpenFOAM User Guide [online]. Reading: CFD Direct Ltd, 28.06.2016 [Zugriff am: 18.10.2016]. http://cfd.direct/openfoam/user-guide

[3] SHERRY, M., D. LO JACONO und J. SHERIDAN, 2010. An experimental investigation of the recirculation zone formed downstream of a forward facing step. In: J. Wind Eng. & Indust. Aerodyn. 98(12), S. 888-894. ISSN 0167-6105

 

SMTconnect 2019: Halle 4, Stand 329

... und Simulation mit asymmetrischer Reinigung.

… und Simulation mit asymmetrischer Reinigung. Zestron

Tabelle 1: Maße Array-Geometrien

Tabelle 1: Maße Array-Geometrien Zestron