Lotperlenfreie Zone? – Eine Betrachtung - EPM Handels AG

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FERTIGUNG tet, oder aber weniger als 5 Lotperlen mit einem Durchmesser von weniger als 0,13 mm pro Quadratzoll. Da auch diese Anforderungen mit den meisten verfügbaren Lötstopplacken nicht bzw. nur durch kosten- und zeitintensives Säubern und Nacharbeiten erreicht werden können, haben einige Hersteller besagte IPC Norm für sich umformuliert und erlauben festanhaftende Lotpartikel bis zu einem Durchmesser von 0,2 mm, vorausgesetzt, es befinden sich nicht mehr als 5 Lotperlen auf einer Fläche von 25 mm². Wilhelm Peters, freiberuflicher Consultant im Bereich Wellenlöttechnik und derzeit bei Heraeus in Hanau in der Entwicklung von Wellenflußmitteln tätig, kennt dieses Problem sehr genau: »Diese Normen werden immer wieder aufgeweicht, eben weil es viel zu viele Lotperlen bedingende Einflussfaktoren gibt. Bei den meisten meiner Kunden sieht die Praxis so aus, dass Lotperlen selbst auf Baugruppen akzeptiert werden, wenn sie nicht lose in der Gegend herumfallen und somit auch keinen Schaden anrichten können«. Schlussendlich sei dies Abwägungs- und Ermessenssache, so Peters - natürlich nur, wenn es sich nicht um sicherheitsrelevante Lötungen handele, aber »diese Lötungen, etwa wenn es um die Motorelektronik im Automobilbau oder in der Luft- und Raumfahrt geht, werden ja nach der Funktionsprüfung der Leiterplatte oder Baugruppe sowieso überlackiert«. Utopia Also alles nur »Hype« und man kann mit Lotperlen eigentlich ganz gut leben? Die ganze Aufregung um die schon seit den 70er Jahren immer wieder Gesprächsstoff liefernde Lotperle demnach umsonst? Nein. Die Gespräche, die mit der FCKW-Thematik begannen, haben natürlich ihre Berechtigung. Damals hatte man - noch wenig umweltbewusst - die gelötete Leiterplatte nämlich einfach mit FCKW abgespült, und gut war’s. Und seit im April 1975 erstmals das durch FCKW verursachte Ozonloch thematisiert wurde - bis hin zum strikten FCKW-Verbot, das auf der sogenannten Ozonkonferenz im Mai 1989 in Helsinki ausgesprochen wurde - sucht man nach Alternativen und führt Experimente durch, die die lotperlenfreie Zone in der Leiterplattenund Baugruppenfertigung zum Ziel haben. Ein Ziel, was - man muss es so sagen - trotz unzähliger Versuche, Experimente und noch so vieler Praxistests bis heute nicht erreicht wurde. Viele Experten erklären hier sogar klar den Wunsch 22 zum Vater des Gedanken und verweisen die gänzlich lotperlenfreie Fertigung nach Utopia. Die jetzt in Kraft getretene RoHS-Richtlinie vereinfacht die Aufgabenstellung nicht gerade, denn die zumeist aggressiveren bleifreien Lote wollen richtig angewandt werden, um Migrationsverhalten und Lotperlenbildung »sozialverträglich« zu gestalten. Ob sich letztere komplett und für immer vermeiden lässt oder ob eine Optimierung das realistischere Ziel ist, daran scheiden sich die Geister. Das Zusammenspiel muss funktionieren Neben Geometrie und Design der Leiterplatte gibt es nämlich noch viele andere Faktoren, die für die Lotperle »zuständig« sind. Das geht über den Lötstopplack, das Flussmittel, die Art der Vorheizung, das Lot selbst, die Geometrie der Welle und hört beim Abkühlprozess und beispielsweise der Umgebungsbeschaffenheit (Luftfeuchtigkeit) noch lange nicht auf. Und natürlich spielt auch die Lötmaschine in dem gesamten Prozess eine nicht zu unterschätzende Rolle, insbesondere wenn es gilt, nacheinander bleifreie und bleihaltige Legierungen zu verarbeiten. »Sie können alle Parameter noch so gut aufeinander abgestimmt haben - Flussmittel, Lötstopplack, Legierung, Wellenhöhe oder Transportgeschwindigkeit der Leiterplatte: wenn beispielsweise die Vorheiztemperatur falsch eingestellt ist, die Lüftung nicht optimal arbeitet oder wenn das falsche Flussmittel eingesetzt wird, dann können Sie das Ergebnis meist vergessen«, so Hans Isler, Inhaber und Vorstand der EPM Handels AG aus Geroldswil bei Zürich und Produzent der weltweit ersten automatischen Duplex-Lötanlage für bleifreie und bleihaltige Legierungen. In der Praxis beginnen die Probleme allerdings oftmals schon viel früher, nämlich bereits vor der Produktion, bei der angelieferten Leiterplatte: »Natürlich gibt es bei Anlieferung der Leiterplatten in den Werken eine technische Prüfung als Eingangskontrolle, aber wer bitte prüft die Zusammensetzung des aufgetragenen Lötstopplacks, und wer fragt nach, welche Materialien in der Platine verarbeitet sind? Die Tatsache, dass der Lack sauber aufgetragen ist, sagt noch nichts darüber aus, wie ausgehärtet er ist oder welchen Einfluss er auf die Bildung von Lotperlen haben wird, darauf achtet bislang kaum jemand«, berichtet Isler aus seiner langjährigen Praxis. Ursache Nr. 1: der Lötstopplack Damit liegt der Finger eindeutig in der ersten Wunde, denn: treibt man Ursachenforschung für die Auslöser von Lotperlen und wichtet sie, dann ist der auf die Leiterplatte aufgetragene Lötstopplack und seine Zusammensetzung zweifelsfrei mit über 50% der Haupteinflussnehmer auf die Lotperlenbildung. Am häufigsten eingesetzt werden bei den Lacken die sogenannten 2-Komponenten-Systeme, bestehend aus einer harzhaltigen (und damit klebrigen) A-Komponente und einer Härterkomponente (B-Komponente), die für die Beständigkeit und die physikalischen und chemischen Endeigenschaften der beschichteten Leiterplatte zuständig ist. Doch Vorsicht ist geboten, denn trotz des vom Grundsatz her ähnlichen strukturellen Aufbaus und trotz ähnlicher Rezeptur gibt es in der Konsistenz der Lacke gewaltige Unterschiede. Die Gründe hierfür erläutern Dipl.-Ing. Sven Kramer, Leiter Anwendungstechnik, und Dipl.-Ing. Rü- SMT 8-9/2006
diger Dietrich, Technischer Leiter bei den Lackwerken Peters aus Kempen, und unterstreichen damit gleichzeitig die Forderung des EPM-Chefs: »Das liegt zum einen an der Qualität bzw. Reinheit der eingesetzten Rohstoffe, die von Charge zu Charge nur minimalste Abweichungen haben dürfen, und zum anderen an der Abstimmung der einzelnen Rohstoffkomponenten der Lackformulierungen untereinander. Daraus können große Unterschiede im Hinblick auf die Lotperlenbildung resultieren, daher sollte auch jeder Bestandteil eines Lötstopplacks hinsichtlich seines Einflusses auf die Entstehung von Lotperlen genauestens untersucht werden.« Bürstmodule haben sich nicht bewährt Also sind die Lackhersteller gefordert, die Anhaftung von Lotperlen durch geeignete Rezepturen deutlich zu minimieren oder, wenn möglich, zu eliminieren. Dabei darf allerdings nicht vergessen werden, dass die Aufgaben des Lötstopplacks auf der Leiterplatte nicht beeinträchtigt werden dürfen: die Lacke müssen als Isolierstoff über den nicht zu lötenden Stellen der Baugruppe funktionieren, sie müssen gegenüber dem flüssigen Lot beständig sein, auf den unterschiedlichen Untergründen fest haften bleiben und natürlich durch ihren Einsatz im Lötprozess Lötzinn einsparen. Nicht zu vergessen: die gute Umweltverträglichkeit und die immer öfter geforderte kostengünstige Verarbeitung. Vor diesem Hintergrund - und mit der Zielsetzung der Lotperlenminimierung - haben Kramer und Dietrich einige Versuche ausgeführt, bei der sie der Oberfläche des Lötstopplacks im mikroskopischen Bereich eine gewisse Rauhigkeit gegeben haben: »Wir haben die Oberfläche zunächst mit Bürstmodulen oder auch mit bestimmten chemischen Lösungen behandelt, haben dies aber schnell wieder aufgegeben, weil diese Verfahren nicht praxisgerecht sind und ausserdem leicht zu Schäden der Beschichtung führen können. Freigelegte Leiter würden oxidieren und die Zuverlässigkeit der Flachbaugruppe reduzieren, eine nachträgliche Bearbeitung der Lackoberfläche ist damit hinfällig«. Weitere Experimente mit Rezepturveränderungen durch Füllstoffe in den Lackwerken haben ergeben, dass sich durch den Einsatz von sehr feinen Füllstoffen auf der Lackoberfläche eine Mikrorauhigkeit erzeugen lässt, die bewirkt, dass im Vergleich zu Standardlacken tatsächlich weniger Lotperlen anhafteten: »Lotperlen von einer Größe von mehr als 0,2 mm konnten bei einer bestimmten Rezeptierung mit feinen Füllstoffen sogar vollständig beseitigt werden«, so die Ingenieure. No clean und VOC-frei Der zweite Hauptverursacher von Lotperlen mit einer Gewichtung von ca. 20% ist eindeutig das Flussmittel. Auch hier gab es seit Einführung der no clean- Flussmittel erhebliche produktionstechnische Veränderungen, denn die Aufgabe der Halogene - das Aufbrechen der Oxyde - mußten nun andere Substanzen übernehmen. Das war die Geburtsstunde der - im Vergleich zu Halogen (Festkörperanteil 15 - 20%) - festkörperarmen no clean Flussmittel (Festkörperanteil 2 - 4%). Diese gravierende Veränderung bedeutete gleichzeitig, dass die Lötqualität deutlich besser werden musste, um das gleiche stabile Ergebnis wie bisher zu erzielen: die Meßlatte lag nach wie vor bei einer Fehlerquote von 100 ppm. Also waren die Flussmittelhersteller gefordert - und sind es heute immer noch. Die primäre Aufgabe des Flußmittels ist es, den Aufschmelzvorgang des Lots zu unterstützen, die Werkstoffoberflächen sauber zu halten und die Oxyd- schichten, die sich unter Lufteinwirkung auf fast allen Metallen bilden, zu beseitigen; gleichzeitig setzt es die Oberflächenspannung des Lotes herab, und auch das wirkt sich günstig auf eine geringere Lotperlenbildung aus. Im Handel sind sowohl wasser- als auch alkoholba- FERTIGUNG sierende Flussmittel erhältlich, wobei sich in der Praxis - speziell beim bleifreien Löten - die wasserbasierenden, VOCfreien Flussmittel durchzusetzen scheinen. »Die Gründe hierfür liegen auf der Hand,« erklärt der technische Berater Peters. Zum einen sind wasserbasierende, VOC-freie Flussmittel umweltfreundlicher und vertragen sich daher auch besser mit bleilosen Legierungen, zum anderen sparen sie den Unternehmen Geld, denn für alkoholbasierende Flussmittel müssen gezielte Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Beispielsweise müssen diese Art Flussmittel in speziellen Sicherheitsschränken bei einer bestimmten Temperatur lagern, und außerdem muss es gesondert entsorgt werden. Vielen ist das einfach zu umständlich. Mal bei Coca-Cola nachgefragt? Auch wenn die neuen Flussmittel in der Regel gut sind und bereits seit vielen Jahren erforscht werden: die Technologie steht noch relativ am Anfang, die bleifreie Zeit ist gerade erst angebrochen. Doch leider gibt es im immerwährenden Preiskampf auch schwarze Schafe unter den Herstellern, vor denen man sich noch nicht einmal schützen kann. Diese Erfahrungen muß EPM-Chef und Maschinenlieferant Isler leider immer wieder machen. Die Hauptursache für diesen Umstand ist in seinen Augen klar: „Wenn Sie die Flussmittelhersteller nach der Rezeptur ihrer Flussmittel fragen, könnten Sie genauso gut Coca Cola um deren Rezept bitten. Kein einziger Hersteller legt die Rezepturen seiner Flussmittel offen, und es ist völlig unverständlich, dass das in diesem Umfang noch erlaubt ist. Einerseits verstehe ich natürlich, dass jemand mit einer besonderen Rezeptur seine Wettbewerbsfähigkeit schützen und erhalten will, aber andererseits müssen die Elektronikfertiger und Maschinenhersteller doch wenigstens die Chance bekommen, sich vor ungewollten und sogar zerstörend wirkenden Ingredienzen zu schützen. Wir haben es gerade erst erlebt, dass ein Flussmittelhersteller seinem Flussmittel als Festkörper Chlor untergemischt und diese Tatsache verschwiegen hat, mit dem Ergebnis, dass ganze Maschinenteile weggefressen wurden. Da reden wir dann nicht nur von dem Defekt, der an der Maschine entstanden ist, sondern gleichzeitig von einem Produktionsausfall, und das wird dann richtig teuer. So ein Verhalten findet Isler einfach unverantwortlich: »Hier wird eine Grenze deutlich überschritten«. SMT 8-9/2006 23
Seite 1: FERTIGUNG Auf einen klugen Einsatz

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