Schutzlackierung von Baugruppen Optimale Schutzbeschichtung setzt hohe Reinheit voraus

Einwandfrei muss die Beschichtung bzw. Lackierung auf elektronischen Baugruppen haften, um optimale Funktionssicherheit auch bei extremen Bedingungen sicherzustellen bzw. Feldausfälle zu verhindern. Ein optimierter Reinigungsprozess mit Analyse in der Vorstufe der Beschichtung der Baugruppe gewährleistet, dass der Schutzlack sicher haftet.

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Die Schutzlackierung elektronischer Baugruppen ist eine wichtige und notwendige Maßnahme, um die Zuverlässigkeit elektronischer Produkte zu sichern. Da das Beschichten der Baugruppe in der Regel den letzten Schritt in der Wertschöpfungskette darstellt, können sich Fehler in diesem Fertigungsschritt drastisch auf die Produktionskosten auswirken und zu verheerenden Ausfällen im Feld führen. Um eine optimale Haftung der Schutzbeschichtung zu gewährleisten und spätere Rissbildung und Delaminationseffekte zu vermeiden, ist es wichtig, dass eine hohe Reinheit der Baugruppe vor dem Beschichten gesichert ist.

Grundsätzlich orientiert sich die Mindestreinheit bei Beschichtungsprozessen am etablierten J-Standard 001D, der als wichtigster Industriestandard für die Reinheitsqualifikation bei Baugruppen gilt. Für eine vollständige Qualifizierung nach diesem Standard sind folgende Verfahren notwendig:

• Optische Qualifikation 20- bzw. 40-fach (gemäß IPC A610D),
• Qualifikation von Harzreinheit (<40 µg/cm² für Klasse-3-Baugruppen),
• Ionische Kontaminationsmessung (1,56 µg/ NaCl cm²),
• Nachweis anderer organischer Verunreinigungen,
• SIR-Messung nach bzw. während der Klimalagerung.

Die Menge des Harzanteils auf Baugruppen spielt eine entscheidende Rolle, da sie Einfluss auf die Lackhaftung hat. Der Grenzwert liegt für Klasse-3-Baugruppen bei nur 40 µg/cm², was dem Harzanteil auf einer Lötstelle entspricht. Gerade bei den bleifreien Lotpasten ist der Anteil der Harzrückstände durch die veränderte Zusammensetzung jedoch enorm gestiegen. Mittels eines speziellen chemischen Schnelltests wie dem Zestron-Resin-Test lassen sich schnell und einfach Harzrückstände detektieren.

Für die Reinheitscharakterisierung der Oberflächen nach J-STD 001D stellt außerdem das Ionenäquivalent eine wichtige Größe dar. Ein großes Ionenäquivalent weist auf eine große Menge hygroskopischer Verunreinigungen hin. Diese führen meist innerhalb weniger Jahre zur Delamination der Beschichtung und damit zu deren Versagen. Andere organische Verunreinigungen, wie beispielsweise Rückstände der eingesetzten Flussmittel, können die Beschichtungsqualität deutlich beeinflussen und Ausfallmechanismen unter der Beschichtung auslösen.

Zum Nachweis solcher organischer Verunreinigungen gibt es weitere schnell und einfach anzuwendende Einfärbeverfahren wie den Zestron-Flux-Test: Mittels einer Farbreaktion auf der Baugruppe sind selektiv organische Säuren nachweisbar, wie sie als Aktivatoren in Flussmitteln angewandt werden. Diese Schnelltests machen zudem die Verteilung der Verunreinigungen auf der Baugruppenoberfläche sichtbar.

Die SIR-Messung dient dazu, die Isolationswirkung der Oberfläche nachzuweisen. Eine hohe Isolationswirkung garantiert dabei, dass elektrische Signale auf der Baugruppe nicht verfälscht werden. Flussmittelrückstände bzw. leitfähige Verunreinigungen können zu Kriechstrombrücken und damit zu Fehlfunktionen führen. Bei der SIR-Messung wird eine Kammstruktur in einem Klimaschrank gelagert und dabei der Oberflächenwiderstand zwischen den einzelnen Kammstrukturen gemessen. So lässt sich auf den Oberflächenwiderstand nach dem Löten der Baugruppen schließen.

Die vorgestellten Verfahren garantieren einen sicheren Nachweis der unterschiedlichen Verunreinigungen. Dennoch ist häufig die Integration eines Reinigungsprozesses notwendig, um alle nach J-Standard 001D geforderten Grenzen in der Produktion einhalten zu können. Dieser sollte nicht nur die Aufgabe der Entfernung von Verunreinigungen übernehmen, sondern auch die Haftung des Conformal-Coatings maßgeblich positiv beeinflussen, um so das Risiko späterer Rissbildung und Delamination zu minimieren.

Auswahl eines geeigneten Reinigungsverfahrens

Die Auswahl eines Reinigungsverfahrens sollte zuerst über die technischen Notwendigkeiten erfolgen. Bei nachgelagerten Beschichtungsprozessen ist es vor allem wichtig, durch die Reinigung eine möglichst hohe Oberflächensauberkeit zu erreichen. Bei der Auswahl eines geeigneten Reinigungsprozesses spielt vor allem die optimale Abstimmung von Reinigungsmechanik und -chemie eine große Rolle.

Die eingesetzte Mechanik wie Sprühen, Druckumfluten oder Ultraschall soll den jeweiligen Anforderungen aus abzureinigenden Rückständen, Geometrie und Werkstoffempfindlichkeiten angepasst sein. Die Reinigungssysteme sind in organische Lösemittel, wässrig alkalische Tensidreiniger und wasserbasierende, tensidfreie MPC-Reiniger unterteilt.

Die Vorteile von organischen Lösemitteln bestehen in ihrer guten Reinigungsleistung sowie ihrem weiten Prozessfenster. Nachteilig sind ihr oftmals hoher VOC-Anteil und ihre Brennbarkeit, was den Einsatz in einer explosionsgeschützten Reinigungsanlage erfordert. Aufgrund der ökonomischen, ökologischen und sicherheitstechnischen Vorteile der wasserbasierenden Systeme verlieren die organischen Lösemittel zunehmend an Bedeutung.

Herkömmliche Tensidreiniger verarmen an Wirkstoffen

Herkömmliche Tensidreiniger haben den wesentlichen Vorteil, dass sie keinen Flammpunkt besitzen und in der Regel einen geringen VOC-Wert (Volatile Organic Compounds, flüchtige organische Verbindungen im Beschichtungsstoff) haben. Die Hauptnachteile für die Baugruppenreinigung mit Tensidreinigern bestehen in ihrem Reinigungsprinzip selbst. Bei herkömmlichen Tensidreinigern verbinden sich die Reinigungswirkstoffe dauerhaft mit den Verunreinigungen.

Durch die dauerhafte Bindung der Tenside an die Verunreinigungen tritt eine Verarmung an aktiven Wirkstoffen auf. Einer daraus resultierenden Badbeladungsgrenze lässt sich nur durch Nachdosieren oder kompletten Badwechsel entgegenwirken. Dadurch ergeben sich hohe Kosten für das Reinigungsmedium, den Arbeitsaufwand, die Entsorgung und den Abtransport des gebrauchten Reinigers. Gleichzeitig bleiben auf der Substratoberfläche Tenside haften. Diese können bei den nachgeschalteten Prozessen, wie z.B. dem Beschichten, zu Problemen führen.

MPC-Reiniger vereinigt Vorteile von wässrigen Reinigern und Lösemitteln

Hingegen vereint das „Micro Phase Cleaning“ (MPC) die Vorteile von wässrigen Reinigern und Lösemitteln, ohne deren Nachteile in Kauf zu nehmen. Die Micro-Phasen entfernen Flussmittelrückstände, Harzrückstände und sonstige Verunreinigungen von der Substratoberfläche. Die aktiven Reinigungskomponenten binden sich dabei nicht an die Verunreinigung wie klassische Tenside. Die durch die Micro-Phasen entfernten Schmutzpartikel werden an der Phasengrenze stabilisiert und vom Reiniger im Filter wieder freigegeben. Sie lassen sich durch einfache Filtration abtrennen.

MPC-Reiniger verarmen daher im Gegensatz zu Tensidreinigern nicht an Wirkstoffen. Als Praxisbeispiel sei Delphi angeführt, der mit dem MPC-Reiniger „Vigon SC 202“ gute Erfahrungen gemacht hat: Nach einer umfassenden Evaluierung wurde ein Prozess zur Schablonen- und Fehldruckreinigung implementiert; die Prozesskosten haben sich innerhalb von sechs Monaten amortisiet.

Die lange Lebensdauer des Reinigers resultiert in einem geringen Verbrauch. Sowohl die Kosten für Badwechsel als auch für die Entsorgung und den Transport von Ware reduzieren sich deutlich. Durch die tensid- und feststofffreie Formulierung der MPC-Technik verbleiben keine Rückstände auf der Substratoberfläche. Dies hat eine hohe Prozesssicherheit bei der anschließenden Beschichtung zur Folge.

*Dr. Helmut Schweigart ist Leiter der Anwendungstechnik, Prozesse und Technologie von Zestron Europe.

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