Home Verband Regionalgruppen Bericht und Vortragsfolien | Siemens AG

25 Jahre FED - Ein Rückblick

Neue Mitglieder

13.02.2014

Bericht und Vortragsfolien | Siemens AG

Das erste Treffen im Jahr 2014 der Regionalgruppe Berlin fand in den Räumen der Firma Siemens AG, Messgerätewerk Berlin statt. Klaus Dingler, stellvertretender Regionalgruppenleiter Berlin begrüßte die zahlreichen Teilnehmer und stellte die Ziele und Aufgaben des FED vor und informierte gleichzeitig über die Highlights des Jahres 2014. Ein herzlicher Dank an das Haus Siemens für die wiederholte Gastfreundschaft wurde an Herrn Bertold Wiechmann ausgerichtet.

Für den Gastgeber gegrüßte Herr Bertold Wiechmann, Firma Siemens AG Messgerätewerk, die Anwesenden und wünschte einen guten Verlauf der Veranstaltung.

Eine Kurzpräsentation stellte das Messgerätewerk und seine Eingliederung in die Produktsektoren Energie, Healthcare, Industrie und Infrastruktur und Business der Siemens AG vor. Das Messgerätewerk Berlin ist mit ca. 1100 Mitarbeitern in den Sektor Infrastruktur und Business eingeordnet. Der Hauptsitz ist Berlin, in dem alle Zuständigkeiten vom Produkt über das System bis zum Service vorhanden sind. Bereits seit über 100 Jahren werden hier Geräte für die Schutztechnik entwickelt und gefertigt. Ein Umdenken in der Energieversorgung ist jedoch notwendig um den heutigen Ansprüchen zu genügen. Um die Einbindung von Windkraft- und Solaranlagen zu gewährleisten ist ein intelligentes Management, das Smart Grid, erforderlich. Diese Technik, eingesetzt in der gesamten Energieschöpfungskette,  sorgt dafür, dass die Elektrizitätsnetze nicht mehr starr sondern flexible arbeiten. Für diese Aufgaben werden die erforderlichen Geräte und Systeme in Berlin entwickelt und produziert. Allein 280000 Geräte mit 922000 Baugruppen und den entsprechend hohen Zahlen der Bauelemente befinden sich im Produktscope des Messgerätewerker Berlin.



Bertold Wiechmann, Siemens AG                         Klaus Dingler, FED e.V.

1. Fachvortrag: Schutz von elektronischen Baugruppen durch Schutzlackieren und Vergießen (Jens Bürger, ELANTAS Beck GmbH)

Im anschließenden Fachvortrag berichtet Jens Bürger, Firma ELANTAS Beck GmbH, über den Schutz von elektronischen Baugruppen durch Schutzlackieren und Vergießen. Die ALTANA-Gruppe, Anwendung chemischer Produkte in verschiedensten Industriezweigen, gliedert sich in vier Bereiche, in der ELANTAS mit elektrischer Isolation und Schutz gegen Umwelteinflüsse eingeordnet ist. Neben Isolationslacke für Drähte und Spulen gehören die Materialien für Schutzlackieren und Vergußmassen zum Produktscope dieses Bereiches.

Für die elektrische Isolation und den Schutz gegen Umwelteinflüsse kommen unterschiedliche chemische Basismaterialien, wie  Epoxyde, Silikone, Acryle, Urethane und Polyester, zur Anwendung. Zum Schutz der elektronischen Komponenten in der Industrie, der Automotiv, der Luftfahrt und in der Medizintechnik werden unterschiedliche Verfahren je nach Notwendigkeit angewendet.

  • Schutzüberzug mit Dünnschichtlacke
  • Schutzüberzug mit Dickschichtlacke
  • 1-Komponenten Vergußmasse
  • 2-Komponenten Vergußmasse
  • Heiß-Vergießen

Dünnschichttechnologie

Der Dünnschichtüberzug in Form von Lacken wird durch Spray, Anstrich oder Tauchen für Baugruppen hauptsächlich zum Schutz gegen Feuchtigkeit zur Anwendung kommen. In der nachfolgenden Tabelle ist ein Vergleich der Eigenschaften der unterschiedlichen chemischen Materialien zusammengestellt.


Quelle: Vortragsfolien Firma ELANTAS Beck GmbH

Alkyde (ein Gemisch basierend auf Purethan- und Polyesterharze) sind luftrocknende (durch Oxydation) Einkomponenten-Lacke, die zum großen Teil in der Dünnschichttechnologie Verwendung finden.

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeit ist besser als beim Acryl-Lack ( wie in einer Gegenüberstellung in den Vortragsfolien zu ersehen ist ), die Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Einflüssen besser als beim PUR.

Der Lack kann mit drei möglichen Viskositäten, 37°, 40° und 45° hergestellt werden. Gemessen wird die Viskosität mit einem Auslaufbecher der je nach der Messmethode DIN oder ISO unterschiedlich gestaltet ist.

Der Vorteil dieser Lacke begründet sich durch die nicht giftigen Lösungsmittel und dem hohen Flammpunkt.  Beim Trocknungsvorgang verdunste im ersten Schritt das Lösungsmittel und im zweiten Schritt reagiert der Harzbestandteil mit dem Sauerstoff der Luft. Dazu muss für eine gute Belüftung während der Trocknungszeit gesorgt werden. Danach hat der Überzug seine geforderten Eigenschaften.

Zum Aufbringen des Lackes können alle Verfahren, Sprühen, Streichen, Tauchen oder Gießen zur Anwendung kommen. Beim Tauchen ist darauf zu achten, dass die Baugruppe langsam eingebracht wird, um Blasenbildung zu vermeiden, und beim Herausnehmen aus dem Becken ein gutes Ablaufen des Lackes gewährleistet wird. Da der Lack an der Luft schnell trocknet muss der Tank geschlossen gehalten werden und der Inhalt ist nur 1-2 Tage nutzbar. Das Aufbringen des Lackes im Spray-Verfahren per Hand ist sehr arbeits- und materialintensiv und bedarf Schutzeinrichtungen für das Handling.

Dickschichttechnologie

Der Dickschichtfilm biete in der Hauptsache Schutz gegen chemische Einflüsse, aggressive Umwelteinflüsse und auch gegen Vibration. Gegenüber der Dünnschichttechnik mit 20µm bis 50µm Schichtdicke ist der Dickschichtfilm bis ca. 300µm dick. Es ist ein VOC (volatile organic compound) freies Verfahren, d.h. Lösungsmittel werden nicht in die Umgebung freigesetzt.

Um eine kurze Aushärtungszeit der Lackschicht zu erreichen ist die Einwirkung von UV-Strahlung in einer Anlage notwendig. Je nach Stärke der UV-Einwirkung kann die Zeit erheblich verkürzt werden. Ohne UV-Einwirkung kann die Erreichung des Vernetzungsgrades >95% bis zu 2 Wochen dauern.
In normaler Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit kann die Trocknungszeit bis zu 3 Tagen dauern, die aber auch in diesem Falle durch Erhöhung der Temperatur und der Feuchtigkeit verkürzt werden kann.

Die Qualität der Schichtdicke wird durch die Beschaffenheit des Lackes, der Durchführung des Beschichtungsprozesses und der vorherigen Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche bestimmt. Eine Reinigung der Oberfläche ist in jedem Falle zu empfehlen, um eine bessere Haftung des Lackes zu erreichen und eine Vermeidung von Migrationserscheinungen unter dem Lack zu gewährleisten. Fehler können entstehen:

  • Entlang der Prozesskette bei der Bestückung, beim Löten und bei der Reinigung,
  • durch schadhaftes Beschichtungsmaterial ,
  • während des Beschichtungsprozesses,
  • und während des Aushärtens des Lackes.

Durch Fehlerbilder in den Vortragsfolien konnten Einzelheiten dazu verdeutlicht werden, z.B. unterschiedliche Schichtdicken an den Bauteilen, Ablaufen des Lackes bei runden Bauteilen, Blasenbildung im Behälter der Beschichtungsanlage, Kristallisation durch Verschmutzung, zu hoher Temperatur beim Trocknen und Migration unter der Lackschicht.

Verguß

Vergießen von Baugruppen wird notwendig, wenn die Schutzlackierung bei aggressiven Medien, bei einer Dauerfeuchtigkeit, in freier Bewitterung nicht mehr ausreichend ist, oder für eine zusätzliche Befestigung oder Wärmeableitung benötigt wird. Die Vergußmassen müssen verschiedenen Anforderungen genügen:

  • geringe Wärmeentwicklung bei der Aushärtung
  • geringer Volumenschwund und Schrumpfungsdruck
  • gutes Haftungsvermögen
  • hohe Elastizität
  • gute Wärmeabfuhr

Da beim Vergießen von Baugruppen unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Verhalten bei Temperaturerhöhungen zusammenwirken, ist die Betrachtung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von wesentlicher Bedeutung. Für die Temperaturwechselfestigkeit ist aus diesem Grunde die Wahl der Chemie ( Silikone, Epoxy, PUR ) mit den Werten:

  • des thermischen Ausdehungskoeffizienten CTE
  • der Glasübergangstemperatur Tg
  • des E-Modules (Kennwert für die Elastizität)

abhängig. Ferner ist die Geometrie des zu vergießenden Modules zu berücksichtigen und beim Test der Temperaturwechselfestigkeit die Anzahl der Testzyklen und die Haltezeit. E-Modul und der Ausdehnungskoeffizient haben über die Temperatur aufgetragen einen gegenläufigen Verlauf. Schnittpunkt der beiden Kurven ist die Glasübergangstemperatur.


Quelle: Vortragsfolien Firma ELANTAS Beck GmbH

Wünschenswert für eine Vergußmasse ist ein möglichst elastisches Material und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten zum Schutze der einzugießenden Bauteile. Beide Werte widersprechen sich aber, Elastizität bedeutet geringe Härte und geringer Ausdehnungskoeffizient hohe Härte. Vom Markt kommt die Forderung hinzu die Glasübergangstemperatur außerhalb der Betriebstemperatur des Modules zu legen, d.h. <20°C oder >100°C. Durch diese Forderungen wird die Wahl der Vergußmasse erheblich eingeschränkt und ein Kompromiss ist zu wählen.

Auch die Wahl der Bauteile auf der zu vergießenden Baugruppe hat Einfluss auf die Zuverlässigkeit. So sind Bauteile mit Anschlussbeinen für die Elastizität günstiger als Bauteile mit Anschlussflächen. Die Verwendung von Metallgehäusen auf den Baugruppen sollte vermieden werden.

Zur Überprüfung der Temperaturwechselfestigkeit sind in den Labors entsprechende Anlagen notwendig, um die benötigten Parameter einzustellen. Datenblätter müssen die wichtigen Werte enthalten.

Ursachen für unzuverlässige, bzw. fehlerhafte vergossenen Module können

  • bereits in der Prozessphase der Baugruppe zu finden sind (Bestücken, Löten, Reinigen)
  • oder während des Vergießens (fehlerhaftes Harz - Überlagerung -, falsche Maschinenparameter, hohe Luftfeuchte, schwankende Temperaturen)
  • letzendlich auch beim Trocknen

auftreten. Als Vergußmassen werden Epoxidharze,  Polyole und Silikone eingesetzt, die durch Füllstoffe in ihren Eigenschaften bestimmt werden und durch weitere Additive zusätzliche Forderungen erfüllen können.



Jens Bürger, ELANTAS Beck GmbH                     Dr. Sonja Wege, SEHO GmbH

2. Fachvortrag: Prozesstechnologien für hochzuverlässige elektronische Baurguppen (Dr. Sonja Wege, SEHO GmbH)

Prozesstechnologien für hochzuverlässige elektronische Baugruppen, ist der Titel des Vortrages von Frau Dr. Sonja Wege, SEHO GmbH, nach der Kaffeepause.

Durch den vermehrten Einsatz von Leistungsbauelementen und hochintegrierten Elektronikbauelementen ist die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen ein bedeutender Einflussfaktor geworden.

Voidbildung in der Lötstelle reduziert die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit und stört den homogenen Aufbau der Lötverbindung. Einfluss auf die Voidentstehung hat der Lötprozess, die Leiterplatte, die Lotpaste und das Baudelement. In der IPC-A-610 ist für die Klasse 1, 2, 3 ein Voidanteil von 25% für zulässig angegeben, wobei für die Klasse 3 bereits von Firmen 10-15% gefordert werden. Für SMD-Standardbauteile werden keine Angaben gemacht. In der IPC-7093 für BTC’s wird eine entsprechende Lötabdeckung zur geforderten Wärmeableitung gefordert, wobei 50% angestrebt werden ohne jedoch über die Größe und Anordnung der Voids eine Aussage zu machen. Bei Leistungsbauelementen soll jedoch der Voidanteil in der Verbindung zum Substrat <3% betragen. Durch die Voidbildung werden die thermomechanische Belastung, die elektrische Funktion und die thermischen Eigenschaften beeinflusst.

Zur Verminderung der Voidbildung sind gute Benetzungseigenschaften der Oberflächen notwendig, die Rückstände auf den Leiterplatten müssen minimiert sein, das Lotmaterial angepasst sein und Layout der Leiterplatte und der Lotpastenschablone optimiert sein. Trotz aller Einhaltung dieser Maßnahmen ist ein Erreichen der Voids unter 5% nur sehr schwer zu erreichen.

Um eine Pore aus der Lötstelle zu entfernen ist eine Differenz zwischen dem Druck der Pore und der Umgebung notwendig. Dieser Differenzdruck kann entweder durch das Vakuumlöten oder durch das Überdrucklöten aufgebaut werden. Beim Vakuumlöten werden die Voids durch einen Druck bis zu 1bar in der Peakzone des Lötprofiles, also im flüssigen Zustand des Lotes, herausgezogen.

Beim Überdrucklöten werden in der Peakzone des Lötprofiles mit zwei Druckhüben die Voids herausgedrückt. Dazu wird in einer herkömmlichen Reflowanlage in der Peakzone eine Druckkammer mit zwei Konvektionsheizzonen integriert. Die Druckkammer ist für einen Überdruck von 4,2 bar ausgelegt, der Druckaufbau erfolgt mit Stickstoff. In der ersten Kammer werden durch einen Druckaufbau von 4 bar die Poren aus dem flüssigen Lot gedrückt. Nach Druckabbau erfolgt der Transport in die zweite Kammer, in der erneut ein Druck aufgebaut wird, jedoch die Temperatur unter dem Solidus liegt, so dass das Lot unter dem Druck erstarren kann. Der Einfluss des Druckprofiles geht aus nachfolgender Folie eindrucksvoll hervor.


Quelle: Folienvortrag Firma SEHO GmbH

Weitere Ergebnisse sind im Folienvortrag enthalten.

Durch die Integration kann die Anlage je nach Bedarf auch als normale Reflowanlage betrieben werden. Hervorzuheben ist, dass der Lötprozess nahezu Spritzer- und Lötperlenfrei erfolgt, keine Einschränkungen bei der Verarbeitung von speziellen Bauteilen und keine Höhenbeschränkung zur Standarddurchlaufhöhe für Baugruppen besteht.

Durch die hohen Temperaturanforderungen über 150°C  im Bereich der Leistungselektronik stößt die Löttechnik auch mit Hochtemperaturloten an ihre Grenzen und neue Verbindungstechnologien sind notwendig, um Grenzen mit 200°C zu erreichen.

Diffusionslöten

Dass Verfahren des Diffusionslötens besteht darin, dass eine dünne Lotschicht zwischen zwei hochschmelzenden Substraten durch Temperatur und langer Prozesszeit vollständig in eine intermetallische Phase umgewandelt wird. Diese hat dann ihren Schmelzpunkt bei ca. 400°C. Bei Standardlotpasten können nur dünne Schichten, ca. 10µm, aufgetragen werden, um die Prozesszeit zum Durchwachsen der IMP in Grenzen zu halten. Werden Lotpasten mit Cu-Partikeln verwendet, ist auf eine homogene Verteilung der Partikel zu achten. Wie beim Überdruckklöten muss auch hier mit Druckbe- und -entlastung gearbeitet werden. Auch hier muss die IMP komplett durchwachsen und hat den Vorteil eines sehr geringen Voidanteiles. Ergebnisse aus dem „Hot Pow Com“-Projekt sind in den Vortragsfolien enthalten.

Zu den Anlagentechnischen Maßnahmen gehören die Verlängerung der Lötzeit im Peakbereich und im Vorheizbereich durch Verlängerung des Vorheizplateaus und einer selktiven Vorheizung vor dem Peakbereich. Nchgeschaltet muss eine thermische Nachbehandlung vorhanden sein.

Sintern

Der Sinterprozess ist ein Verdichten pulverförmiger oder feinkörniger Stoffe durch Druck und Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes, wobei die Oberflächen miteinander verschmelzen. Wobei die Temperatur den Diffusionsprozess beschleunigt und der Druck die Diffusionsvorgänge durch plastisches Fließen überlagert.

Anforderungen an die Anlagentechnik werden durch die getrennte Regelung von Temperatur und Druck gestellt. Die Druckübertragung muss über das ganze Modul homogen sein, um eine zuverlässige Verbindung zu erstellen. Dazu sollte der Druckstempel  eine saubere und planare Oberfläche haben. Die Oxidation der Oberfläche muss durch geeignete Atmosphäre verhindert werden.

Als Ausblick auf weitere innovative Löttechnologien wird auf das Plasmalöten, einem lösungsmittelfreien Lötverfahren, hingewiesen und die ersten Ergebnisse aus dem Projekt vorgestellt.