Die Reinigung ist ein notwendiger Prozess bei der Elektronikfertigung und dient seit vielen Jahren dazu, potenziell schädliche Verunreinigungen von den Leiterplatten zu entfernen. Dabei handelt es sich um Flussmittel-, Lötmittel- und Haftmittelrückstände sowie andere Verschmutzungen wie Staub und Ablagerungen aus Fertigungsprozessen.
Ziel der Reinigung ist es, die Nutzungsdauer eines Produktes zu verbessern, indem man eine gute Oberflächenbeständigkeit gewährleistet. Zudem beugt sie dem Leiterplattenausfall durch Kriechstrom vor. Moderne und zukünftige Elektronikkomponenten sollen immer kleiner werden, aber die Anforderungen an Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit steigen. Um einen guten Isolationswiderstand zu erreichen und eine zuverlässige Haftung von Schutzlacken und Giess- und Verkapselungsharzen zu sichern, ist die Reinheit der elektronischen Baugruppen unerlässlich.
«No-clean»-Prozess kann Haftungsprobleme verursachen
Es gibt viele Zwischenstufen, in denen Reinigung notwendig ist. Vor der Schablonentechnik und dem Löten muss man die Verunreinigungen vieler vorangegangener Produktionsstufen entfernen. Nach der Schablonentechnik sind überschüssige Klebemittel und nach dem Löten korrosive Flussmittelrückstände und überschüssige Lötpasten zu beseitigen. Heutzutage gehen viele Hersteller in der Industrie zu «No-clean»-Prozessen über, die implizieren, dass Reinigung nach der Lötphase nicht notwendig ist. Beim «No-clean» ist der Feststoffanteil des Flussmittels niedriger als bei traditionellen Arten. Sie enthalten jedoch immer noch Harz und Aktivator.
Solche Rückstände können, abgesehen von anderen unerwünschten Elementen, die sich durch die fehlende Reinigungsphase auf der Leiterplatte gesammelt haben, Probleme mit der Haftung verursachen und möglicherweise die Leistung des aufgetragenen Schutzmediums beeinflussen. Daher kann man festhalten, dass trotz der Fortschritte bei neuen Technologien, wie beispielsweise die Entwicklung von «No-clean»-Flussmitteln, die Reinigung weiterhin ein erforderlicher, mehrstufiger Prozess in der Elektronikindustrie ist. Ausserdem sind Reinigungsphasen bei der Entfernung von Schutzlacken und Klebern in der Nacharbeitung erforderlich sowie für die Reinigung von bestimmten Komponenten und für die Wartung der Produktionsanlagen.
Den wasserbasierten Reinigern gehört die Zukunft
Wegen des gestiegenen Umweltbewusstseins rücken viele Elektronikhersteller vom Einsatz traditioneller Lösungsmittelreiniger ab, die Ozon schädigende Chemikalien oder einen hohen Anteil an FOV (flüchtige organische Verbindungen) enthalten und setzen auf Alternativen. Obwohl viele lösungsmittelbasierte Reinigungsprodukte einen komfortablen einstufigen Reinigungsprozess ermöglichen, haben wasserbasierte Reiniger mehrere Vorteile. Beispielsweise sind sie nicht brennbar, haben eine geringe Geruchsbelastung, keine FOV und eine sehr geringe Toxizität.
Es ist notwendig, den geeigneten wasserbasierten Reiniger für die Reinigung im Ultraschallbad, im Drucksprühverfahren oder in der Spülmaschine zu bestimmen. Diese Reiniger nutzen die Tensidtechnologie, um die Entfernung von Verunreinigungen auf einer Leiterplatte zu unterstützen. Dabei reduzieren sie die Grenzenflächenspannung und heben sie auf oder emulgieren sie in der Lösung. Alternativ nutzen wasserbasierte Flussmittelentferner die Verseifung und neutralisieren so die Flussmittelsäuren. Der einzige grosse Nachteil eines wasserbasierten Reinigers besteht darin, dass er mehrere Stufen benötigt, um den Reinigungsprozess abzuschliessen. Dieser beinhaltet auch einen zweistufigen Spülungsprozess und eine finale Trocknungsphase. Schliesslich gibt es auch einen neuartigeren, tensidfreien wasserbasierten Reiniger. Dieser Reiniger ist glykolbasiert und verbindet die Vorteile eines wasserbasierten Reinigers und eines lösungsmittelbasierten Reinigers, benötigt jedoch nur eine minimale Spülung.
Mikroskopisch kleine Verunreinigungen ionischer oder nichtionischer Art
Ein massgeblicher Anteil schädigender Flussmittelrückstände und Verunreinigungen ist mit blossem Auge nicht erkennbar, oft nicht einmal unter dem Vergrösserungsglas. Daher ist es entscheidend, die richtige Methode zu wählen, damit der Reinheitsgrad die Anforderungen des Elektronikingenieurs erfüllt. Es gibt zwei Arten von Rückständen: ionische und nichtionische. Und es gibt eine Vielzahl von Methoden, den Grad der Verunreinigung nach der Reinigung zu berechnen und den Begriff «rein» zu definieren.
Nichtionische Rückstände, die nach der Fertigung auf der Leiterplatte oder Baugruppe zurückbleiben sind z.B. Harze, Öle und Fette. Sie sind nicht leitfähig und normalerweise organischen Ursprungs. Sie verfügen über isolierende Eigenschaften, was zu Problemen führen kann, sobald man Steckkontakte oder Steckverbinder auf Baugruppen einsetzt. Sie können eine schlechte Haftung der Lötmaske, des Schutzlacks und der Vergusskomponenten verursachen. Ausserdem können sie ionische Verunreinigungen und Fremdkörper einschliessen. Typische Testmethoden sind visuelle Kontrollen mit dem Mikroskop, kombiniert mit anderen analytischen Methoden, z. B. mit einem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR).
Ionische Verschmutzungen sind typischerweise Flussmittelrückstände oder schädigende Materialien, die nach dem Löten zurückbleiben. Wasserlösliche organische oder anorganische Rückstände, die sich in einer Lösung als aufgeladene Ionen trennen können, erhöhen die allgemeine Leitfähigkeit dieser Lösung. Sie können die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten und Baugruppen herabsetzen, da sie zur Bildung von Kriechstrom zwischen den Schaltkreisen beitragen, Korrosion verursachen und dendritisches Wachstum fördern.
Ein grösserer Prozentsatz an Ausfällen resultiert aus ionischer Verunreinigung. Eine übliche Methode den ionischen Verschmutzungsgrad zu messen, ist die Messung des Widerstands der löslichen Bestandteile (engl. ROSE), auch bekannt als die Leitfähigkeit der löslichen Bestandteile (engl. SEC). Die Industrienorm IPC-TM-650 verwendet eine Lösung aus Isopropanol und deionisiertem Wasser, um die Verunreinigungen zu extrahieren, während das Messgerät die Veränderung in der Leitfähigkeit misst. Es handelt sich hier um eine anerkannte Messmethode mit schnellen Ergebnissen. Diese können jedoch eingeschränkt sein, weshalb man zwei weitere Methoden einsetzt, um wertvolles Datenmaterial zu erhalten. Es handelt sich um die Messung des Oberflächen-Isolationswiderstands (engl. SIR) und die Ionen-Chromatographie (IC).
Methode ist abhängig von Reinigungschemikalie und Rückständen
Nicht nur den Verunreinigungsgrad nach der Reinigung muss man ermitteln, auch die Reinigungslösung selbst gilt es zu kontrollieren. Säurehaltige Flussmittelrückstände haben generell einen niedrigeren pH-Wert und erhöhen die Leitfähigkeit, während sie Schwankungen in der Konzentration nicht beeinflussen. Der Brechungsindex (engl. BRIX) misst den Feststoffanteil in der Reinigungs- lösung. Obwohl man so einige Hinweise auf den Verunreinigungsgrad erhält, sind mit der Zeit Änderungen im Brechungsindex möglich, da Schwankungen in der Konzentration der Lösung bestehen. Diese bedingen sich durch das Herausschleppen aus der Reinigungslösung in den Spülzyklus. Alle diese Methoden sind einfach und können mit einem relativ günstigen Messgerät durchgeführt werden. Die Messung des Trübungspunktes ist eine andere Methode, um die Lösung zu kontrollieren. Man erwärmt einfach eine kleine Menge der Reinigungslösung und vermerkt die Temperatur, bei der die Lösung sich eintrübt. Daran lässt sich erkennen, ob die Lösung hochgradig verunreinigt ist oder die Konzentration durch Herausschleppen gesunken ist.
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