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Mittwoch, 31 August 2022 12:00

Heile, heile Gänsje…

von Prof. Rahn
Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Heile, heile Gänsje… Vera Kuttelvaserova - stock.adobe.com

Heile, heile Gänsje
Es is bald widder gut,
Es Kätzje hat e Schwänzje
Es is bald widder gut,
Heile heile Mausespeck
In hunnerd Jahr is alles weg. [1]

Intel-Mitbegründer Gordon Earle Moore, berühmt für sein Moore’sches GesetzIntel-Mitbegründer Gordon Earle Moore, berühmt für sein Moore’sches GesetzVor allem bei Kindern und einigen leichtgläubigen Erwachsenen kann man Warzen erfolgreich ‚besprechen'. Offenbar milderte der obige Spruch auch die Schmerzen kleiner Wehwehchen, wenn die Mutter ihn dem leidenden Wesen vorsang. Das nutzte auch Ernst Neger bei seinem Auftritt zur Fassenacht, wohl eingedenk des Katers, den einige der Teilnehmer am nächsten Morgen erleiden mussten. Wie auch bei der Jugend wurde dieser Singsang bei den Narren sehr populär.

Ob hundert Jahre ausreichen, kann man bei der zunehmenden Langlebigkeit wohl diskutieren. Jedoch halten elektronische Produkte meist nur ein paar Monate oder Jahre, entweder weil sie so konzipiert wurden oder weil eben mit der Empfindlichkeit und dem rüden Umgang die oft ‚unreparierbaren' Produkte in den Sondermüll wandern oder als Souvenir in einer der Schubladen verstaut werden.

Sowohl bei den Bauteilen wie auch bei der Baugruppe hat die Komplexität sehr stark zugenommen. Da gilt nicht nur das altbekannte Gesetz von Moore [2], sondern mit den kleiner werdenden Passivbauteilen müssen notgedrungen die Abstände verringert werden was nun wiederum ein Herabsetzen der Stromstärken und -spannungen mit sich bringt.

Mit dem ‚spitball' [3] der RoHS wurde das Löten komplizierter, der Energieverbrauch stark erhöht und das Problem der Flussmittel auf ein neues Niveau gehievt. Während man in der guten alten Zeit das Harz einfach auf der Baugruppe belassen konnte – alte Telephone aus den Schaukästen der Hersteller funktionieren noch obgleich das Harz innen bereits abblättert – sind Verunreinigungen inzwischen kaum noch akzeptabel, will man dem Produkt eine längere Gebrauchzeit zugestehen.

Elektrolyse, Darstellung von Niko LangElektrolyse, Darstellung von Niko LangDas hängt oft von einem Phänomen ab, das man aus der Physik und Chemie gut kennt: Elektrolyse. Dazu gehört dann die Spannungsreihe, ein Elektrolyt und schon hat man potentiell ein Problem vor sich. Die Dendriten, die da wachsen sind etwas anderes als die sogenannten ‚whiskers' (auf gut Deutsch: Metallwhisker), die aus Metallschichten gepresst werden.

Ionenmigration ist hier der Schuldige und dazu gehören ein paar Teilnehmer. Wichtig sind die Metalle sowie ein Elektrolyt. Wird eine leitende Verbindung zwischen unterschiedlichen Metallen ermöglicht, so wandern Metallionen von einer Seite zur anderen und lagern sich in hübsch anzuschauenden Metallkristallen an, die Weihnachtsbäumen nicht unähnlich sind. Das führt jedoch bedauerlicherweise zu Kurzschlüssen. Je enger der Abstand, desto schneller kann die Verbindung entstehen.

Was aber kann man dagegen unternehmen? Unterschiedliche Metalle sind grundsätzlich nötig für die Funktion. Sie zu vermeiden gehört in der Elektronik in das Reich der Phantasie.

Also richtet sich das Augenmerk auf den Elektrolyten. Wie entsteht der denn, denn schließlich wird er nicht mitgeliefert – oder doch? Er bildet sich eben aus gewissen Verunreinigungen und der stets gegenwärtigen Luftfeuchtigkeit.

Hier fällt der Verdacht (nicht immer gerechtfertigt) auf das Flussmittel. Ein ‚ideales' Flussmittel entfernt die Oxide beim Löten (und erfüllt noch einige andere Funktionen) und verschwindet dann spurlos. Besonders nach der RoHS ist das aber den Chemikern noch nicht geglückt.

Zwar kann man auch ohne Flussmittel löten, was jedoch speziell in Massenproduktion zu aufwendig und somit zu teuer ist. Also fummelt man eben mit Chemie herum, und es bleiben dann Rückstände, die unter den zu erwartenden Bedingungen zum Elektrolyten aufsteigen.

Übersehen sollte man jedoch nicht, dass Verunreinigungen auch anders eingeschleppt werden. Die Leiterplattenproduktion nutzt eine Anzahl von Chemikalien. So auch die Bauteilhersteller. Ob die alle entfernt werden oder entfernt werden können, steht in den Sternen. Handhabung, Verpackung und Maschinen sind auch nicht unschuldig an der Situation.

Der Ausschluss der Luftfeuchtigkeit wird in einigen vakuumverpackten Bauteilen genutzt. Bei totaler Trockenheit kann sich kein Elektrolyt bilden und herumwabern. Das als Ganzes auf die Baugruppe zu übersetzen wäre denkbar, ist aber doch unrealistisch.

SpektrometerSpektrometerAlso geht es den Verunreinigungen an den Kragen. Waschen von Baugruppen hat die RoHS zu neuem Leben erweckt. Nachdem durch die feststoffarmen Flussmittel versucht wurde, ein Reinigen weitgehend zu verhindern – auch aus Kosten- und Umweltgründen, haben die hohen Schmelztemperaturen und die nun nötigen Tricks bei den Flussmitteln im Zusammenhang mit der generellen Entwicklung bei Bauteilen das Waschen wieder populärer gemacht.

Leichter ist es jedoch nicht geworden. Nachdem das nicht besonders wirksame Freon – (deswegen meist als Azeotrop [4] eingesetzt – aus dem Verkehr gezogen wurde, sucht man noch immer nach geeigneten Chemikalien. Die gewünschten Eigenschaften sind umfangreich und bedingen vor allem, dass die ionisierbaren Verunreinigungen auf der Baugruppe gelöst und abgespült werden können. Dazu kommen gesundheitliche und ökologische Bedenken, die zum Teil auch rechtlich verankert sind.

Erschwert wird die Suche durch die immer enger werdenden Abstände auf der Baugruppe, besonders unter einigen der größeren Bauteile. Flüssigkeit dort hineinzuzwingen ist weniger das Problem, als sie dann wieder mit den gelösten Verunreinigungen herauszuholen.

Da die Prozessingenieurin kaum Einfluss auf die Auslegung der Baugruppe hat, sollte sie mit ihren Überlegungen zumindest bei der Analyse der Rückstände beginnen, die entfernt werden müssen.

Ein ordentliches Labor kann dann mit den neuesten Analysemethoden und lokalen Extraktionen (eventuell nach Entfernung einiger problematischer Bauteile) definitiv angeben, was sich da versteckt.

Da CFC-113 und 1,1,1-Trichloroethan nicht mehr zur Verfügung stehen, schielt man entweder auf einige der neueren Lösemittel oder spekuliert mit wasserbasierenden Systemen, die Verseifer benutzen, um einige der organischen Rückbleibsel (Harze) anzugreifen. Jedenfalls ist eine genaue Anpassung dieser Chemie an die Verunreinigung geboten, und es ist schlauer, sich durch Versuche zu überzeugen, als sich von wortreichen Verkäufern das Blaue vom Himmel erzählen zu lassen.

Der normale Waschprozess in Durchlauf- oder Chargenanlagen ist exzessiv lang, und neue Ideen auf dem Maschinenmarkt scheinen rar zu sein. Zur Beseitigung der Verunreinigungen ist man sich inzwischen weitgehend einig, dass etwas mehr Energie eingesetzt werden muss. Das geschieht entweder mit Sprühmethoden oder aber mit dem früher verteufelten Ultraschall, wobei Sprühmethoden eventuell in Beschattungsprobleme laufen, weil sich Bauteile gegenseitig ‚behindern', was in den Veröffentlichungen meist geschickt ausgeblendet wird. Ob die Baugruppe schließlich sauber ist oder zumindest den im Voraus gesetzten Grenzwerten entspricht, muss selbstverständlich regelmäßig verifiziert werden.

Literatur

M. Bixenman et al.: Combination of Spray and Soak Improves Cleaning under Bottom Terminations, IPC proceedings
T.M. Forsythe: Cleaning High Reliability Assemblies With Tight Gaps, A Detailed Analysis, SMTA Proceedings
E. Kanegsberg; B. Kanegsberg: Ultrasonics as an Option for Electronics Assembly Cleaning, Proceedings of SMTA International, Sep. 25– 29, 2016, Rosemont, IL, USA
T. Munson: Failure Analysis – Using Ion Chromatography and Ion
Chromatography/Mass Spec (IC/MS), Proceedings of the SMTA Pan Pacific Microelectronics Symposium 2020
R. Basu; R. Hulse: An Alternative Solvent with Low Global Warming Potential, IPC proceedings
H. Conseil et al.: Contamination profile of Printed Circuit Board Assemblies in Relation to Soldering Types and Conformal Coating, Proceedings of EuroCorr 2014

Referenzen

[1] Umdichtung eines Kinderreims von Ernst Neger als Fassenachtslied, Quelle: www.wikipedia.org/wiki/Heile,_heile_Gänsje
[2] www.investopedia.com/terms/m/mooreslaw.asp
[3] en.wikipedia.org/wiki/Spitball
[4] en.wikipedia.org/wiki/Azeotrope

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 8
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Prof. Rahn

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