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Donnerstag, 03 Dezember 2020 13:00

Die Hände in Unschuld waschen

von Prof. Armin Rahn
Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Abb. 1: Sandra wäscht sich die Hände – länger als 20 Sekunden Abb. 1: Sandra wäscht sich die Hände – länger als 20 Sekunden Bild: Facebook Center For Great Apes

Zur gegenwärtigen Pandemie ist die Presse voller guter Ratschläge. Besonders das Händewaschen wird betont. Anleitungen für jene, die es nicht bereits als kleine Kinder von den Eltern gelernt haben, werden vielfach angeboten. Dabei machen es die Chirurgen (seit etwa Ignaz Semmelweis [1818–1865]) vor der Operation völlig anders. Waschen ist auch bei der Herstellung elektronischer Produkte Thema.

plus 2020 11 0038Abb. 2: Prinzip einer galvanischen Zelle (Wiki [3])Reinigungsprozesse in der Elektronikfertigung werden immer mehr in den Vordergrund gerückt, und auch hier tut sich die einschlägige Presse hervor, besonders effektiv von Chemikalien- und Reinigungsanlagenherstellern mit entsprechendem PR-Material versorgt.

Das Motiv dafür ist in beiden Fällen ähnlich: Der Tod des Patienten, für elektronisches Gerät der Ausfall, kann durch Sauberkeit verhindert werden. Der auf der Leiterplatte hin- und herhuschende Strom, nimmt alles in Anspruch, was leitend ist. Dazu gehören Partikel wie auch Elektrolyten. In solchen Fällen transportieren die Ströme auch Metall-ionen, die sich dann an geeigneten Stellen anlagern. Das Resultat dieser mysteriösen Vorgänge sind Den-driten, die leicht zu Kurzschlüssen führen.

Für diesen katalytischen Effekt sind drei Zutaten nötig

  • ionisierbare Verunreinigungen
  • ein Lösemittel, wie etwa Wasser
  • und einen Strom, der neben der normalen Betriebsspannung auch durch zwei unterschiedliche Metalle laut der Spannungsreihe [2] gegeben werden kann. Die Spannungsreihe wurde bis heute selbstverständlich schon wesentlich verfeinert.

Man geht gegen dieses galvanische Geschehen vor mit dem Versuch, die Baugruppe sauber zu waschen, um die beitragenden Verunreinigungen zu beseitigen, denn es ist weit schwieriger die Lösemittel (Luftfeuchtigkeit) zu zügeln. Zwar kann man die Baugruppe in einer Vakuumkammer unterbringen, das ist aber in den seltensten Fällen praktisch.

Waschen war früher schwierig, da viele der Bauteile geschädigt wurden. Sie waren offen oder mit Papier umhüllt. Doch in der guten alten Elektronikzeit war die Sauberkeit auch nicht kritisch, denn die Abstände maßen sich (beinahe) in Zentimeter. Zudem kleckerte man derart viel wasserunlösliches Kolophonium drauf, dass alles abgedeckt war. Trotz starker Verunreinigung funktionieren deswegen alte Telephone und Radios noch immer.

Das ist heute ganz anders geworden, da sich die Baugruppen sehr gewandelt haben. Nicht nur der Rasterabstand ist weit feiner, sondern die Bauteile sitzen oft direkt auf der Oberfläche (‚Zero Clearance Parts') und sind flächenmäßig ‚riesig' geworden. Das heißt, dass Schmutz (nicht nur Rückstände vom Flussmittel, sondern auch von der Leiterplatte und den Bauteilen mit eingebracht) jetzt schwer zu erreichen ist.

Der Bequemlichkeit wegen klassifiziert man die Rückstände: Organische Verunreinigungen wie Öle, Fette oder Kolophonium stören selten. Korpuskulare, nur wenn sie leitend sind und so zur Überbrückung zwischen Leitern führen können, was besonders wenn sie nicht fest haften leicht geschehen kann. Schließlich bleiben die ionisierbaren, die also nur noch ein Lösemittel benötigen, um zu einer dienlichen Elektrolyt-Lösung zu werden, der es dem Strom erlaubt, von einem Metall zum anderen zu fließen und genau deswegen werden sie als gefährlich eingestuft.

 plus 2020 11 0039Abb. 3: Innenleben eines ‚antiken‘ Radios (Grundig 2140)

 plus 2020 11 0040Abb. 4: 6 Gbps ‚high speed design‘ mit ‚blind vias‘ und ‚via-in-pad‘ Technologie (PADS) [4]

Will man die Salze und Säuren beseitigen, welche die aktiven Zutaten im Elektrolyten darstellen, muss man erst einmal an sie herankommen. Die meisten modernen Flussmittel und Pasten verwenden eine Vielzahl an unterschiedlichen Harzen, die eigentlich so gewählt werden, dass ein anschließendes Waschen der Baugruppe nicht erforderlich sein sollte. Der Nachweis hierfür wird oft mittels Tests geführt, welche von den verschiedenen Organisationen oder Firmen bereit gestellt werden, und in vielen Fällen erfüllen sie diese Vorgaben.

Ist dann doch ein Waschen angesagt, um das Überleben des Produktes – eventuell in ‚unfreundlichen Umwelten' – zu garantieren, dann sind diese Harze besonders schwer zu lösen und man ist oft gezwungen beim Hersteller nachzufragen, welche Chemikalien dazu noch zu verwenden sind. Das Entfernen dieser Flussmittelzugaben ist nicht nur wichtig, da sie selbst aus Säuren bestehen, sondern auch weil sie die anderen Aktivatoren ‚gefangen' halten, also einkapseln.

Alleine schon die Klassifizierung von WW (‚water white') Rosin (Harz/Kolophonium) zeigt in einer vollständigen chemischen Analyse zwischen 40 und 50 verschiedene Komponenten aus den folgenden Familien von Chemikalien auf, von denen der Hauptanteil Abietinsäure ist und verschiedene Isomere, Dimere und polymerisierte Formen jeder Säure enthält:

  • Abietinsäure
  • Neoabietinsäure
  • Dehydroabietinsäure Säure
  • Palustrinsäure
  • Levopimarsäure
  • Pimarsäure
  • Isopimarsäure
  • Terpene

Erschwerend dazu kommt noch die Erkenntnis, dass bei den großen Bauteilen oft das Flussmittel, wie geplant, nicht der nötigen Hitze ausgesetzt wird, um einerseits die Lösemittel zu verdampfen und andererseits das Harz voll auszutrocknen, denn diese Harze polymerisieren nicht, wie oft angenommen wird.

Somit stellt sich die Frage, wie man diesen ‚Dreck' los wird und genau das ist ausnehmend schwierig. In engen Zwischenräumen benötigt man ein Waschmittel, das eine sehr niedrige Oberflächenspannung hat, was sofort Wasser ausschließt, da es selbst mit Verseifern diese Eigenschaft nicht mitbringt.

plus 2020 11 0041Abb. 5: Ultraschall Waschanlage (crest)

Unter den chemischen Mitteln sind viele durch das Montrealer Protokoll geächtet worden. Die verbleibenden haben oft andere Eigenschaften, die sie nicht empfehlen.

Bleibt noch die Wahl der Waschanlage, denn man bekommt das Waschmittel, wenn es geeignet gewählt wurde, zwar in den Zwischenraum, aber kaum wieder raus, weil kapillare Kräfte es dort festhalten – und die frisch gelösten Verunreinigungen wären anschließend noch gefährlicher als hätte man nichts unternommen.

Zwei Ideen bieten sich deshalb an: Das eine sind Sprühdüsen, die durch den Druck des auftreffenden Waschmittels eventuell auch unter den größeren Bauteilen noch zu einem Strömen führen und so das Lösemittel samt den Salzen und Säuren entfernen.

Die andere Möglichkeit ist der zusätzliche Einsatz von Ultraschall, was mittels Kavitation auch zur Reinigung beitragen kann. Jedoch sollte man nicht vergessen, dass z. B. J-STD-001, 8.2.b die Verwendung verbietet und nur in Fällen erlaubt, wenn eine Dokumentation vorliegt, die nachweist, dass kein Schaden verursacht wird (Zitat).

Literatur und Anmerkungen:

Conseil, H. et al.: Contamination profile of Printed Circuit Board Assemblies in relation to soldering types and conformal coating, Proceedings of EuroCorr, 2014

Bastow, E.: The Effect of Reflow Profiling on the Electrical Reliability of No-Clean Solder Paste Flux Residues, IPC proceedings

Bastow, E.: The Effects of Partially Activated No-Clean Flux Residues Under Component Bodies and No-Clean Flux Residues Entrapped Under RF Cans on Electrical Reliability, IPC APEX 2011 conference

Basu, R.; Hulse, R.: An Alternative Solvent with Low Global Warming Potential, IPC proceedings

The 1987 Montreal Protocol on substances that deplete the ozone layer – United Nations Environmental Program, 1987

http://www.crest-ultrasonics.com/

Referenzen:

1 Altisraelischer Brauch, durch das öffentliche Waschen der Hände seine Unschuld zu demonstrieren – besonders Matth. 27, 24

2 Alessandro Volta & unabhängig Christoph Heinrich Pfaff, 1793

3 Von Henry Mühlpfordt / *File:Galvanic Cell.svg: Gringer - File:Galvanic Cell.svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5896436

4 Alpha PCBs designs

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  • Ausgabe: 11
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Prof. Armin Rahn

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