von Gustavo Arredondo, Technischer Leiter bei Para Tech Coating

Komplexe elektronische Schaltungen, die unter extremen Bedingungen betrieben werden, erfordern eine effektive Isolierung gegen elektrische und chemische Einflüsse sowie gegen Dampf und Feuchtigkeit. Parylene-Beschichtungen bieten diese Schutzeigenschaften als sehr dünne, leichte Kapselfolie. Die dauerhafte Schutzwirkung von Parylene hängt jedoch von der Haftung der Folie ab, die wiederum maßgeblich von der Sauberkeit der zu beschichtenden Oberflächen abhängt.

Reinigungsprobleme sind bei beschichtungsbereiten Baugruppen möglicherweise nicht sofort erkennbar. Die langfristigen Folgen einer Kontamination können jedoch die Funktion der Systeme beeinträchtigen und sind kostspielig zu beheben. Der Ausfall kritischer Baugruppen kann zudem den Ruf eines Anlagenlieferanten ernsthaft schädigen und sich negativ auf zukünftige Geschäftsbeziehungen auswirken.

Parylene-Beschichtung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssigbeschichtungen, die durch Tauchen oder Sprühen aufgetragen werden, erfolgt die Parylenbeschichtung durch chemische Dampfphasenabscheidung im Vakuum. Dabei kommt es zu einer Vernetzungspolymerisation auf molekularer Ebene, bei der ein pulverförmiger Rohstoff in den gasförmigen Zustand überführt und anschließend direkt als transparenter Film auf den Bauteiloberflächen polymerisiert wird. Eine flüssige Zwischenphase entfällt. Der fertige Film ist absolut konform, da er sich sowohl auf ebenen Flächen als auch an Kanten und in Spalten gleichmäßig dick und mit konstanter Geschwindigkeit bildet.

Organische oder anorganische produktionsbedingte Verunreinigungen auf Baugruppen können die Haftung zwischen Parylene-Film und Oberfläche stören, zu Delamination führen und den Schutz der Beschichtung beeinträchtigen. Darüber hinaus können Substrate mit ausgasenden Komponenten während des Abscheidungsprozesses Rückstände auswaschen, die zu Kreuzkontaminationen der Oberflächen führen und eine direkte Verbindung mit dem reaktiven Monomer verhindern.

Einhaltung von Industriestandards

Eine Sichtprüfung allein reicht nicht aus, um die Eignung einer Baugruppe für die Parylene-Beschichtung zu bestätigen. Um kostspielige Reinigungsprobleme zu vermeiden, ist es entscheidend, jeden Produktionslauf konsequent zu messen, zu überwachen und zu prüfen. CWST führt gemäß IPC-J-STD-001 eine Stichprobenprüfung von 10 % der Baugruppen eines Produktionslaufs durch, um die Eignung der Baugruppen eines Kunden für die Parylene-Beschichtung zu bestätigen.

Diese prozessbegleitende Handhabung von Leiterplattenbaugruppen zielt auf Qualität und Zuverlässigkeit ab, die einen unterbrechungsfreien Betrieb auch unter härtesten Bedingungen gewährleisten. Der Zielwert der IPC-J-STD-001 für die Oberflächenreinheit beträgt höchstens 10 µg NaCl/in2. Überraschenderweise ist dieser Leistungsstandard für die Zuverlässigkeit anspruchsvoller kommerzieller Anwendungen ebenso wichtig wie für Baugruppen im Militär- und Luftfahrtbereich. Eine Beeinträchtigung dieses Standards gefährdet die Baugruppen und wird auch für kommerzielle Anwendungen nicht empfohlen. Sollten bei der Probenahme Kontaminationsprobleme auftreten, wird der Kunde darüber informiert, und CWST unterstützt bei der Fehleranalyse, Prüfung und Festlegung optimaler Reinigungstechniken.

Der Zielwert für Oberflächenreinheit gemäß IPC-J-STD-001 beträgt 10 µg NaCl/in2 oder weniger. Diese laufende Prüfung bei der Handhabung von Schaltungsbaugruppen zielt auf Qualitäts- und Zuverlässigkeitsniveaus ab, die einen unterbrechungsfreien Betrieb in den rauesten Umgebungen ermöglichen. Der Zielwert für Oberflächenreinheit gemäß IPC-J-STD-001 beträgt 10 µg NaCl/in2 oder weniger. Überraschenderweise ist dieser Leistungsstandard für die Zuverlässigkeit anspruchsvoller kommerzieller Anwendungen ebenso wichtig wie für Baugruppen in Militär- und Luft- und Raumfahrt. Eine Verletzung dieses Standards gefährdet die Baugruppen und wird auch bei kommerziellen Anwendungen nicht empfohlen. Wenn bei der Probenahme Kontaminationsprobleme auftreten, wird der Kunde darüber informiert und CWST kann bei der Fehleranalyse, Prüfung und Festlegung optimaler Reinigungstechniken behilflich sein.

Baugruppen, die mit einem sogenannten „No-Clean“-Flussmittel hergestellt wurden, scheinen zwar frei von Verunreinigungen zu sein, es bleiben jedoch in der Regel Rückstände zurück, die die Ergebnisse beeinträchtigen. Der Begriff „No-Clean“ ist irreführend, da er sich auf den für Parylene erforderlichen Leistungsstandard bezieht. Rückstände von No-Clean-Flussmittel sind visuell schwer zu prüfen, verfärben sich jedoch in einem Alkoholbad, das zur Vorbereitung von Substraten für die Parylene-Abscheidung verwendet wird, weiß. Gelöste Rückstände verunreinigen nachfolgende Baugruppen und führen zu Nacharbeitsproblemen und Produktionsverzögerungen.

PARYLENE-KONFORME BESCHICHTUNGEN

DIMER-ROHSTOFFE

Warum Sauberkeit wichtig ist

Es gibt zwei Hauptkategorien von Verunreinigungen auf Leiterplatten: organische und anorganische Rückstände. Spuren organischer Rückstände wirken als natürliche Trennmittel und zerstören die Verbindung zwischen Parylene-Film und darunterliegenden Oberflächen. Diese beeinträchtigte Haftung ist möglicherweise nicht sofort erkennbar, doch kann sich der Film durch Temperaturwechsel oder mechanische Belastung ablösen und so die Schutzwirkung der Beschichtung zunichtemachen. Anorganische Rückstände sind elektrisch leitfähig und können unter der Beschichtung Kriechströme bilden, die die Funktion elektronischer Baugruppen beeinträchtigen.

Die häufigste Herausforderung für die Haftung von Parylene-Filmen auf Leiterplatten sind Flussmittelrückstände. Weitere, weniger häufige, aber schwerwiegende Verunreinigungen sind verschiedene chemische Rückstände, Halogenide, ausgelaugte Kunststoffe, Wachse, leichte Kohlenwasserstoff- und Silikonöle, Klebstoffrückstände, Staub und Fingerabdrücke. CWST führt routinemäßig eine einfache Reinigung aller mit Parylene zu beschichtenden Baugruppen mit Alkohol und deionisiertem Wasser durch, um leichte Öl- und Fingerabdrücke zu entfernen. Um andere Verunreinigungen zu erkennen und zu identifizieren, sind jedoch aufwändige chemische Analysen erforderlich.

Kontaminationsbewertung

Die Ionenaustauschchromatographie ist ein effektives Analyseverfahren zur Bestimmung anorganischer Rückstände wie Chlorid, Fluorid, Kalium und Natrium. Bei dieser Technik werden Ionen und polare Moleküle anhand ihrer elektrischen Ladung getrennt und spezifische Verunreinigungen identifiziert, sodass die passende Kombination aus Lösungsmittel und Reinigungssystem ausgewählt werden kann.

Organische Verunreinigungen wie Silikonöle und Formtrennmittel erfordern eine separate Technologie zur Erkennung und Identifizierung. Die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), ein komplexes Analyseinstrument, kann zwischen organischen und anorganischen Verunreinigungen unterscheiden und anschließend spezifische organische chemische Verbindungen identifizieren. FTIR-Tests basieren auf dem Vergleich der Spektrumergebnisse mit einer Datenbank bekannter Materialien.

Die Gaschromatographie wird auch zum Nachweis und zur Identifizierung organischer Verunreinigungen eingesetzt. Mit diesem Verfahren kann ein unbekanntes Flüssigkeitsgemisch in seine Einzelkomponenten zerlegt und jeder Bestandteil spezifiziert werden. Dabei wird eine Probe in einem Trägergasstrom verflüchtigt. Eine Variante der Gaschromatographie kombiniert dieses Verfahren mit der Massenspektroskopie und bietet so zusätzlich die Möglichkeit, unbekannte, komplexe organische chemische Gemische zu charakterisieren.

Reinigungsoptionen – Methoden und Materialien

Sobald die Verunreinigungen genau identifiziert wurden, stehen zahlreiche Reinigungsmittel zur Verfügung. Je nach Art der Reinigungsaufgabe kann das passende Lösungsmittel für die Reinigung im Sprüh-, Lösungsmitteltauch-, Ultraschall-, Dampfentfettungs-, Medienstrahl-, Trommel- oder sogar Handwischverfahren ausgewählt werden.

Für lösliche Verunreinigungen reicht in der Regel eine einfache Reinigung mit Reinigungsmitteln aus, während für weniger lösliche Materialien komplexere Lösungsmittel erforderlich sind. Ziel ist die Verwendung von Reinigungsmitteln, die ungefährlich, ungiftig und VOC-frei sind. Die Reinigungstechnik kann lösemittelbasiert, halbwässrig, wasserbasiert oder lösemittel-/wasserbasiert sein.

In der Vergangenheit beschränkten sich die Lösungsmitteloptionen auf umweltschädliche Flüssigkeiten wie Fluorchlorkohlenwasserstoffe oder chlorierte Kohlenwasserstoffe. Glücklicherweise wurden in den letzten Jahren eine Reihe fortschrittlicher Reinigungsmittel und Recyclingmethoden entwickelt, die das Kontaminationsproblem in der Elektronikfertigung sicher und effektiv lösen. Zu den Lösungsmittelalternativen gehören chelatfreie, phosphatfreie, biologisch abbaubare Reiniger, chlorfreie Lösungsmittelreiniger, Lösungsmittelreiniger ohne Glykol, kohlenwasserstoffbasierte Formulierungen, Methylethylketon, Isopropylketon, alkalische Reiniger auf Wasserbasis und deionisiertes Wasser.

Die Reinigung von Schaltkreisen ist ein mehrstufiger Prozess und kann vor dem Schablonieren und Reflowlöten, nach dem Reflowlöten und nach allen Post-Reflow-Aktivitäten, einschließlich ungeplanter Nacharbeiten, erforderlich sein. Bei jedem Schritt ist die Lösungsmittelverträglichkeit mit allen Geräten und Komponenten der elektronischen Baugruppe unbedingt zu prüfen, um leitfähige oder korrosive Lösungsmittel zu vermeiden.

Entwerfen für den Erfolg

Herkömmliche SMT-Schaltkreisbaugruppen stellen weniger Herausforderungen bei der Reinigung dar als komplexere Geräte mit Lötbaugruppen, die nach dem SMT-Reflow-Löten und der Reinigung hinzugefügt werden. Allerdings können selbst einfache oberflächenmontierte Komponenten Rückstände enthalten. Bauteile wie Schutzkäfige oder Kühlkörper können kleine Lücken, Spalten oder andere physikalische Merkmale aufweisen, in denen sich Flussmittelrückstände festsetzen.

Die Beachtung des Risikos versteckter Rückstände während der Konstruktionsphase trägt dazu bei, Kontaminationsprobleme in der Produktion zu minimieren. Sorgfältige Konstruktion kann Folgekosten sparen und potenzielle Garantieprobleme reduzieren. Einige Hersteller halten es für sinnvoll, bereits auf Prototypebene eine gründliche Reinigung und Kontaminationsprüfung durchzuführen, lange bevor eine Baugruppe die volle Produktion erreicht.

Eine sorgfältige Reinigung nach der Produktion ist für jede Baugruppe, insbesondere für komplexe Geräte, von entscheidender Bedeutung. Hersteller müssen durch Erfahrung und Messungen herausfinden, wie Baugruppen in der Reinigungskammer optimal ausgerichtet werden und wo Sprühdüsen platziert und ausgerichtet werden müssen, um kontaminierende Rückstände zuverlässig zu entfernen.

Referenz: Eine Studie mit dem Titel „Lösungsmittelersatz für die Reinigung elektronischer Baugruppen“ wurde von den Sandia National Laboratories (M. C. Oborny, E. P. Lopez, D. E. Peebles und N. R. Sorensen) durchgeführt, um alternative Lösungsmittel für eine Reihe von Verunreinigungen in Schaltkreisbaugruppen zu analysieren.