Kondensat: Ursachen, Entstehung und Polymerisation

Kondensatrückstände beeinflussen die Wärmeverteilung, weil sie Stellen in der Lötanlage isolieren, die beheizt oder gekühlt werden sollen. Auch können sie Absaugleitungen zusetzen und damit auch die Wärmemenge beeinflussen, was für einen optimalen Lötprozess kritisch ist. Sie sind zudem korrosiv und schädigen auf Dauer die Maschinenbauteile. Kondensatrückstände beeinflussen auch die Qualität der fertigen Leiterplatten. Je nachdem, was in welcher Kombination verarbeitet wurde, können nach dem Reinigen bestimmte Rückstände auf der Leiterplatte verbleiben und negative Langzeiteffekte hervorrufen.

Rückstände problematisch

Eine Reinigung der Anlagen, um diese von den Kondensatrückständen zu befreien, braucht Zeit. Diese Zeit steht im Produktionsprozess oft nicht mehr zur Verfügung. Bilden sich viele Kondensatrückstände, so müssen die Reinigungsintervalle verkürzt werden. Die Rückstände belasten als Abfall vor allem die Umwelt. Der Kontakt mit Kondensatrückständen kann zudem die Gesundheit schädigen und allergische Reaktionen auslösen. Deshalb muss man sich mit dem Kondensat im Detail auseinandersetzen und die Mechanismen seiner Bildung verstehen.

Kaum jemand interessiert sich im Detail für die bernsteinfarbenen Kondensatrückstände in den Lötanlagen, die mit steigender Temperatureinwirkung kontinuierlich dunkler werden. Auch treten im Wartungsprozess nadelförmige kristalline Gebilde auf, meist an den Innenwänden der Absaugleitungen – in den Bereichen mit großem Temperaturgefälle. Dieser Beitrag befasst sich mit der Ursache der Kondensat-Entstehung und Mechanismen, die dafür verantwortlich sind. Auf diesem Weg können Technologien und Prozesse entwickelt werden um die Kondensatbildung von Anfang an zu minimieren.

Ein komplexer Prozess

Die Bildung des Kondensats im Lötprozess ist ein komplexer Prozess. Denn Ausgasung, chemische Reaktionen und Kondensation der flüchtigen niedermolekularen Bestandteile spielen dabei eine tragende, aber nicht ausschließliche Rolle. Auch die Produktionsumgebung, Temperaturfenster für Kondensatbildung, Präsenz geeigneter Reaktionspartner sind nur einige der zahlreichen weiteren Faktoren, die zur Kondensatbildung beitragen. Effekte wie beispielsweise eine konsequente Nichtbeachtung der Gesetze der Thermodynamik bei der Geometrie der Absaugleitungen in einer Lötmaschine oder eine Verwendung von Materialien mit einem Katalysatoreffekt spielen dabei ebenfalls eine wichtige Rolle (Abb. 1). Ziel dieses Beitrags ist es deshalb das grundlegende Verständnis für die Bildungsmechanismen des Kondensats im Lötprozess zu vermitteln und so sinnvoll zu seiner Minimierung beitragen zu können.

Abb. 1: Ursachen der Kondensatbildung

Kondensatbildung

Abb. 2: KondensatbildungDa auch die beste Qualität der einzelnen Komponenten nicht verhindern kann, dass im Herstellungsprozess alle Bestandteile chemisch miteinander reagieren, beginnen in der Lötanlage nicht nur die Lotpaste sondern auch das Leiterplattensubstrat, der Lötstopplack und die Gehäuse der Bauteile auszugasen. Diese gasförmigen Moleküle können untereinander reagieren und größere Moleküle bilden. Kommt der Einfluss von Temperatur dazu und sind geeignete Bedingungen vorhanden, dann findet eine Polymerisation und Vernetzung statt (Abb. 2 und 3).

Polymerisation

Um die Kondensatbildung zu verstehen, müssen Bildungsmechanismen aus der Polymerchemie herangezogen werden. Der Polymerisationsprozess beschreibt das Wachstum aus einem organischen Molekül (Monomer) zu längeren molekularen Verbindungen (Polymeren). Dabei können unterschiedliche organische Moleküle zu langen Polymerketten polymerisieren. Voraussetzungen für die Polymerisation sind reaktive Bindungen, geeignete Polymerisationspartner und günstige Polymerisationsbedingungen (Temperatur und Reaktionszeit). Das alles liefert der Lötprozess. Dort herrschen unterschiedlich hohe Temperaturen, es wird für einen kontinuierlichen Nachschub geeigneter Reaktionspartner gesorgt, die meistens über die reaktiven Verbindungen verfügen – und wenn nicht, sorgt die thermische Schädigung dafür, dass solche entstehen können. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel einer Polymerisationsreaktion der Abietinsäure aus der Lotpaste.

Abb. 3: Bildung eines Dimers aus zwei Monomeren der Abietinsäure (aus der Lotpaste)

Vernetzung

Bei der Vernetzung handelt es sich um die molekulare Verknüpfung zwischen den einzelnen gebildeten Polymerketten. Der Grad der Vernetzung bestimmt maßgeblich die Eigenschaften wie Festigkeit, Formstabilität sowie chemische und thermische Beständigkeit (Abb. 5).

Abb. 4: Bildung eines 5-Hydroxy-7-oxodehydroabietinsäure-Polymers durch Polykondensation von Abietinsäure (aus der Lotpaste)

Die hohe Temperatur in den Lötanlagen begünstigt die Vernetzungsreaktionen, da neben der kontinuierlichen Freisetzung der Reaktionspartner auch die thermische Schädigung der vorhandenen, bereits vernetzten Schicht eine tragende Rolle spielt. Bei hohen Temperaturen werden die Molekülketten der bereits vernetzten Schicht thermisch geschädigt und es entstehen neue reaktive Gruppen, die für weitere Vernetzungsreaktionen zur Verfügung stehen. Es ist also nicht ausschließlich die Freisetzung reaktiver niedermolekularer Verbindungen für den Grad der Vernetzung verantwortlich, sondern auch die Dauer der thermischen Einwirkung auf die bereits polymerisierte Kondensatschicht. In der Praxis führt diese kontinuierliche Nachvernetzung zum erhöhten Reinigungsaufwand der Lötanlagen, weil damit sowohl die chemische als auch die mechanische Widerstandsfähigkeit der Kondensatschicht steigt.

Abb. 5: Weitmaschige Vernetzung vs. engmaschige Vernetzung

Kondensationsprozess

Abb. 6: Vernetztes Kondensat aus einer Reflow-Anlage (400-fache Vergrößerung)Die Reaktionsprodukte kondensieren sobald die Umgebungstemperatur ausreichend abgekühlt ist. Je größer und sperriger die Makromoleküle sind, desto höher ist die Temperatur, bei der sie kondensieren. Kleinere und leichtere Makromoleküle kondensieren dagegen bei einer niedrigeren Temperatur. Herrschen günstige Bedingungen, wie ein geeignetes Temperaturfenster, ausreichend Zeit für Wachstumsprozesse und sind geeignete Bausteine vorhanden, so findet die Bildung kristalliner Strukturen statt (Abb. 7). Diese können aus den nicht reagierten niedermolekularen Verbindungen aus dem Leiterplattensubstrat oder aus den Bestandteilen des Lötstopplacks wachsen. Ebenso können Kristallisationsprozesse aus den Reaktionsprodukten des Flussmittels starten.

Die theoretische Betrachtung der Kondensatbildung ist der erste Schritt zum besseren Verständnis der beteiligten Elemente und Parameter und ihrer Interaktion miteinander in der Lötumgebung. Kondensat ist mehr als nur ein kondensierter Rückstand aus dem Flussmittel oder Lötstopplack an den Wänden der Lötanlagen. Bei der Kondensatbildung müssen flüchtige Bestandteile des Leiterplattensubstrats, der Lötstoppmaske und des Flussmittels der Lotpaste in Betracht gezogen werden. Sie alle können im Lötprozess miteinander reagieren und so das Kondensatwachstum, die Kondensatmenge und seine Zusammensetzung bestimmen.

Abb. 7: Kristalliner Kondensatrückstand aus einem Reflowprozess (100-fache Vergrößerung)

Das Verständnis der Bildung, Reaktionsmöglichkeiten, Vernetzung und Kristallisation hilft geeignete Maßnahmen zu ergreifen. So können z. B. durch Temperaturänderung außerhalb des Prozesses bestimmte Reaktionen unterbunden oder gehemmt werden, um den Polymerisationsprozess zu verlangsamen. Durch gezieltes Absaugen der Atmosphäre an Stellen mit bevorzugter Ausgasung von bestimmten niedermolekularen Verbindungen können Kristallisationsprozesse verlangsamt werden, da entsprechende Reaktionspartner nur noch in einer geringen Menge für einen Kristallisationsprozess zur Verfügung stehen.