DE4136816A1 - Fckw-freies reinigungsverfahren und -anlage hierzu zur entfernung von loetflussmittel- und sonstigen loetrueckstaenden von bestueckten schaltungsplatinen - Google Patents

Description

Zur Vermeidung von Kriechströmen und somit zur Vermeidung des vorzeitigen Ausfalls von beispielsweise Hybridschaltungen ist es nötig, Lötflußmittel- und sonstige Lötrückstände von der Substratoberfläche, besonders unterhalb von Bauteilen, wie beispielsweise SMD-Bauteilen zu entfernen. Die Reinigung wurde bisher in Halogen-Kohlenwasserstoffen, dabei vorwiegend in Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen und hier speziell in 1,1,2-Trifluor-1,2,2-Trichlorethan mit Zusätzen lösungsver­ stärkender Mittel wie Methylenchlorid, Methanol, Ethanol oder Isopropanol, durchgeführt.

Aufgrund der hohen Umweltgefährdungspotentiale speziell der FCKW hinsichtlich Ozonschicht, Treibhauseffekt und Wasserge­ fährdung sowie durch gesetzliche Maßgaben sollten die genann­ ten Lösemittel jedoch so rasch wie möglich durch umweltfreund­ liche und damit auf lange Frist einsetzbare Medien und Verfah­ ren ersetzt werden.

Aus der US 45 11 488 und der WO 87/00 209 ist es bekannt, ein auf Terpenen und oberflächenaktiven Substanzen basierendes Reinigungsmittel für diesen Zweck einzusetzen, wobei haupt­ sächlich das Terpen dl-Limonen eingesetzt wird. Die oberflä­ chenaktiven Substanzen verbessern das Penetrationsvermögen der Reinigungsmittel, d. h. des Terpens wie auch des Spülwassers, unter eng aufsitzenden SMD-Bauteilen erheblich. Außerdem wird dadurch das Reinigungsmittel durch Ausbildung einer Emulsion wasserspülbar. Durch die molekularstrukturelle Ähnlichkeit des dl-Limonens und der Abietinsäure (Hauptbestandteil der Fluß­ mittel) ist ein nahezu unbegrenztes Aufnahmevermögen des Rei­ nigungsmittels für Kolophonium gegeben. In einer Ruhephase wird außerdem eine Separation in zwei Flüssigkeitsphasen Reinigungsmittel-Wasser erreicht, so daß deren mechanische Trennung möglich ist.

Um jedoch eine gute Reproduzierbarkeit des Reinigungseffektes bei hohem Durchsatz an Schaltungsplatinen zu erreichen, ist es nötig, die Reinigung in einer speziell entwickelten Reini­ gungsanlage mittels eines speziell angepaßten Verfahrens durchzuführen.

So ist beispielsweise eine Reinigungsanlage der Firma "Elec­ tronic Controls Design, Inc." bekannt, die nach dem Prinzip einer Geschirrspülmaschine arbeitet. Die Schaltungsplatinen werden in einem Raum zwischen zwei rotierenden, mit Düsen versehenen Armen mit dem Reinigungsmittel besprüht und damit gereinigt. Anschließend werden sie in einer zweiten, ähnlich aufgebauten Maschine gespült. Die Platinen müssen jedoch von Hand von der Reinigungs- in die Spülmaschine umgeladen werden, wodurch kein hoher Automatisierungsgrad erreichbar ist.

Bei dem ebenfalls auf dem Markt erhältlichen Modell "Vitronics 3000" der Firma "PB-Technik" sind ein erster Reinigungsmodul und ein zweiter Spül- und Trocknungsmodul über ein Förderband miteinander verbunden, so daß die im Innern der Moduln auf einem Drahtgitterband beförderten Schaltungsplatinen ohne manuelles Zutun durch beide Moduln befördert werden und diese Moduln auch in einer Fertigungsstraße integriert werden können. Bei dieser Anlage werden die Schaltungsplatinen jedoch mittels ober- und unterhalb des Drahtgitterbandes angeordneter Düsen mit Reinigungsmittel besprüht, so daß die gesamte Innen­ raumatmosphäre des Reinigungsmoduls mit Reinigungsmitteldampf gesättigt ist. Es ist deshalb ein erheblicher Aufwand zum Ab­ saugen dieses Reinigungsmitteldampfes nötig, um eine Explosion zu vermeiden. Verbunden damit ist eine hohe Verlustrate an Reinigungsmittel.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht somit darin, eine Reinigungsanlage und ein für diese Anlage passendes Reini­ gungsverfahren zur vollständigen Entfernung aller Lötfluß­ mittel- und sonstigen Lötrückstände in den Bereichen der Lötung der diversen Anschlußelemente, sowie unterhalb der SMD-Bauteile, anzugeben, wobei bei einer großen Durchsatzrate von Schal­ tungsplatinen eine große Reproduzierbarkeit des Reinigungs­ effekts bei hohem Automatisierungsgrad erreicht werden soll. Das Reinigungsverfahren soll kontinuierlich durch sukzessives Durchtakten von Warenträgern durch eine entsprechend konzi­ pierte Anlage entweder im Handbetrieb oder automatisch ohne Zwischeneingriffe oder zeitlich verzögernde Einzelschritte, wie beispielsweise ein zu lange dauerndes Trocknungsverfahren, stattfinden. Außerdem soll der Aufwand zur Vermeidung einer Explosionsgefahr möglichst gering gehalten werden.

Das Problem wird gelöst durch eine Reinigungsanlage gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8.

Diese Reinigungsanlage ist in Modulbauweise nach dem Baukasten­ prinzip aufgebaut und wird mit einem auf Terpenen und ober­ flächenaktiven Substanzen basierenden Reinigungsmittel betrie­ ben. Die einzelnen Moduln sind als Wannen zur Aufnahme von mit Schaltungsplatinen beladenen Drahtgitterhorden ausgeführt. Es sind dabei insgesamt mindestens sechs Wannen für einen Pro­ zeßablauf, der zwei Reinigungsstufen, zumindest drei Spülstufen und zwei Trockenstufen umfaßt, vorgesehen. Dabei dient die erste Reinigungsstufe zum Vorreinigen, wobei zur Verstärkung des Anlöseeffektes Ultraschall angewendet wird, der außerdem das Eindringen des Reinigungsmittels in enge Spalten unter Bauelementen fördert, und die zweite Reinigungsstufe zum Hauptreinigen mittels starker Turbulenzen zum Auswaschen der angelösten Verunreinigungen unter den Bauelementen, jeweils in reinem Reinigungsmittel. Diese Behandlungsabfolge kann nachein­ ander oder alternierend in nur einer Wanne erfolgen oder nach­ einander in zwei Wannen. In drei nachfolgenden Spülstufen mit jeweils zunehmender Wasserqualität werden die angelösten Verun­ reinigungen und die Reste des Reinigungsmittels entfernt. Dabei wird in der ersten Spülstufe das Grobspülen mit Ultraschall unterstützt. In der zweiten Spülstufe zum Vorspülen findet eine Durchlaufflutung Anwendung. Das Feinspülen in der dritten Spül­ stufe ist wieder mit Ultraschall unterstützt. In zwei an die Spülstufen anschließenden Warmlufttrockenstufen werden die Schaltungsplatinen vollständig getrocknet. Diese zwei Trocken­ stufen sind nötig, um eine Taktzeit von 4 bis 5 Minuten für den automatischen Anlagenbetrieb einzuhalten; zum gesamten Trocknen sind ca. 8-12 Minuten erforderlich, die auch in nur einer oder mehr als zwei Stationen eingehalten werden könnten.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reinigungsan­ lage ist nach der dritten Spülstufe und vor der ersten Trocken­ stufe eine vierte Spülstufe zum Tauchspülen in voll entsalztem Wasser vorgesehen. In diesem Modul findet auch ein Trocknen nach dem sog. "Lift-Out-Verfahren" statt, bei dem die Schal­ tungsplatinen so langsam aus dem Wasser gezogen werden, daß der Wasserfilm quasi an ihnen abrollt und damit schon ein hoher Trockengrad erreicht wird.

Die Erzeugung der Turbulenzen in der zweiten Reinigungsstufe geschieht vorzugsweise durch Einfluten von Reinigungsmittel unter hohem Druck mittels innerhalb der Wanne und unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des in der Wanne umlaufenden Löse­ mittels angeordneter Düsen. Diese Düsen sind dabei derart angeordnet, daß sich ihr Strahl parallel zu den in den Wannen befindlichen Schaltungsplatinen ausbreitet. Eine größere Reini­ gungseffektivität kann erreicht werden, wenn die Schaltungs­ platinen innerhalb der Wannen, d. h. also innerhalb des Reini­ gungsmittels bzw. des Spülwassers ständig bewegt werden. Dazu ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Warenhubein­ richtung vorgesehen.

Da das Reinigungsmittel einen niederen Flammpunkt hat, sollte es nicht in direkten Kontakt mit einem Heizmedium kommen. Aus diesem Grund ist eine indirekte Beheizung und Kühlung mit ge­ trennten Flüssigkeitskreisläufen vorgesehen.

Der Vorteil des an die erfindungsgemäße Anlage angepaßten Rei­ nigungsverfahrens ist, daß das verwendete toxikologisch unbe­ denkliche Reinigungsmittel auf lange Sicht allen Ansprüchen eines gehobenen Umweltschutzes gerecht wird. Es entsteht kein Abfall zur Verbrennung oder Sondermüllentsorgung, da es aufbe­ reitet und wieder verwendet werden kann. Außerdem sind Reini­ gungsmittelverschleppungen abtrennbar von der Spülwasserphase, so daß das Spülwasser anlageintern kreislauffähig ist und so­ mit der Frischwasserbedarf bzw. Abwasseranfall nach dem Stand der Technik minimiert sind.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher erläutert. Diese zeigt den prinzipiel­ len Aufbau einer Reinigungsanlage mit verschiedenen Reinigungs- und Spülmoduln.

Bei dieser Reinigungsanlage besteht ein Modul aus einer Wanne, die mit mindestens einem Zu- und einem Ablauf für das Reini­ gungsmittel bzw. Spülmedium, sowie mit weiterer, spezifischer Zusatzausrüstung versehen ist.

So bestehen die beiden Reinigungsmoduln 1 und 2 Jeweils aus einer Wanne 11, 21, die über Zuläufe 12, 22 mit einem Reinigungs­ mittel, z. B. "Bioact EC-7R" der Firma "Petroferm Inc.", ver­ sorgt werden. Das Reinigungsmittel wird dabei mittels einer Pumpe 101 aus einem Vorratsbehälter 100 in die Wannen 11, 21 gepumpt. Die Wannen 11,21 sind weiterhin mit Abläufen 13, 23 versehen, die über ein Grobfilter 102 mit dem Vorratsbehälter 100 verbunden sind, so daß das Reinigungsmittel in einem Kreislauf benutzt und dabei ständig filtriert wird. Beide Moduln 1 und 2, ebenso wie die nachfolgenden Moduln 3 bis 6 arbeiten nach einem Überlaufverfahren, wobei in jeder Wanne 11, 21 Überlauföffnungen 14, 24 vorgesehen sind, durch die das Reinigungsmittel abfließen kann, wodurch obenschwimmende Verunreinigungen weggeschwemmt werden. Die Überlauföffnung 24 der Wanne 21 ist dabei über ein Grobfilter 103 mit der Wanne 11 verbunden, während die Überlauföffnung 14 der Wanne 11 zusammen mit den Abläufen 13 und 23 über ein Grobfilter 102 mit dem Vorratsbehälter 100 verbunden ist. Beide Wannen 11, 21 sind mit einem indirekten Beheizungs- und Kühlungssystem 15, 25 mit getrennten Flüssigkeitskreisläufen ausgestattet, um einen direkten Kontakt des Reinigungsmittels mit einem Heizmedium aufgrund des niedrigen Flammpunktes des Reinigungsmittels zu vermeiden.

Der erste Reinigungsmodul 1 ist mit einer Vorrichtung 16 zur Erzeugung von Ultraschall versehen, um ein besseres Reinigungs­ ergebnis zu erzielen. In dem zweiten Reinigungsmodul 2 ist ein Düsenregister 26 von oben in die Wanne eingehängt. Dieses Düsenregister 26 ist an seiner Bodenseite mit Düsen 27 verse­ hen, deren Strahl parallel zu den in die Wanne 21 eingehängten Platinen verläuft, wodurch durch die hierbei erzeugten Turbu­ lenzen ein sehr gutes Reinigungsergebnis erzielt wird. Das Düsenregister 26 dieses "Spray-under-Immersion Systems" wird über eine Saugpumpe 28, die über zwei Feinfilter 29a und 29b mit dem Reinigungsmittel-Vorratsbehälter 100 verbunden ist, mit Reinigungsmittel versorgt.

Die nachfolgenden Moduln 3 bis 6 dienen dem Spülen der Schal­ tungsplatinen, um sie vom Reinigungsmittel zu säubern, wobei Wasser mit zunehmendem Reinheitsgrad verwendet wird. So ist in Wanne 31 voll entsalztes (VE-) Wasser mit bis zu 10%igem, vorzugsweise bis zu 2%igem Anteil an aus Modul 2 verschlepp­ tem Reinigungsmittel enthalten. Dieser Restreinigungsmittelan­ tell verbessert den Spüleffekt. In Wanne 41 ist VE-Wasser mit einer Leitfähigkeit, die kleiner als 1 µs ist, in Wanne 51 ist die Leitfähigkeit des darin enthaltenen Wassers kleiner als 0,5 µs und in Wanne 61 kleiner als 0,1 µs. Alle Wannen 31, 41, 51, 61 sind mit Überlauföffnungen 34, 44, 54, 64 versehen, die jeweils mit der vorangehenden Wanne verbunden sind, d. h. also die Überlauföffnung 64 der Wanne 61 mit Wanne 51, die Überlauf­ öffnung 54 der Wanne 51 mit Wanne 41 und die Überlauföffnung 44 der Wanne 41 mit Wanne 31. Die Überlauföffnung 34 von Wanne 31 ist über ein Grobfilter 104 mit einer nicht dargestellten Aufbereitungsanlage verbunden.

Die Wanne 31 hat einen zusätzlichen Zufluß 32, da der Zufluß aus der Überlauföffnung von Wanne 41 nicht ausreicht, um die Konzentration an verschlepptem Reinigungsmittel unter 2 % zu halten. Die Wanne 31 ist außerdem mit einer Einrichtung 36 zur Erzeugung von Ultraschall ausgerüstet. Die Wanne 41 ist mit einem Zulauf 42 ausgestattet, der derart angeordnet ist, daß durch das zulaufende Wasser das sich in der Wanne 41 befindende Wasser in rotierende Bewegung versetzt wird. Die Wanne 51 ist ebenfalls mit einer Einrichtung 56 zur Erzeugung von Ultra­ schall ausgestattet.

Anschließend an die Spülmoduln 3, 4, 5, 6 folgen zwei Trocknungs­ moduln 7 und 8. Diese sind jeweils mit Warmluftdüsen 72, 82 versehen, die von Geräten 73, 83 zur Erzeugung eines erwärmten Luftstroms versorgt werden. Um Energie zu sparen, wird die bereits erwärmte Luft aus Wanne 71 wieder abgesaugt und, nach­ dem sie in dem Gerät 83 nochmals nacherwärmt wurde, in die Wanne 81 geblasen. Es wäre auch möglich, mehr als zwei Trock­ nungsstufen vorzusehen.

Um Lötflußmittel- und sonstige Lötrückstände von Schaltungspla­ tinen zu entfernen, werden diese in nicht dargestellten Draht­ gitterhorten nacheinander in die Wannen 11, 21, 31, 41, 51, 61 der Moduln 1 bis 6 gehängt, wobei die Drahtgitterhorden in einer ebenfalls nicht dargestellten Warenhubeinrichtung eingehängt sind und von dieser ständig auf und ab bewegt werden. In Mo­ dul 1 erfolgt ein Vorreinigen der Schaltungsplatinen in reinem Reinigungsmittel (z. B. Bioact EC-7R) bei einer Temperatur zwi­ schen 20°C und 34°C, vorzugsweise zwischen 28°C und 32°C, während einer Dauer von mindestens 3 min, vorzugsweise 4 bis 5 min. Durch Anwendung von Ultraschall mit einer Frequenz von 40 kHz wird der Lösungseffekt des Reinigungsmittels unter­ stützt. Nach dieser Vorreinigung wird die Horde zur Hauptreini­ gung in Modul 2 in die Wanne 21 ebenfalls für die Dauer von 4 bis 5 min. eingehängt. Auch dort befindet sich reines Reini­ gungsmittel mit derselben Temperatur wie in Wanne 11. Durch die mittels der sich in Wanne 21 befindenden Düsen 27 erzeugten Turbulenzen werden die bereits angelösten Verunrei­ nigungen auf den Schaltungsplatinen beseitigt. Anschließend werden die Schaltungsplatinen in den Moduln 3 bis 6 gespült, wobei in den Wannen 31, 41, 51, 61, in denen sich VE-Wasser mit zunehmender Wasserqualität (abnehmender Leitfähigkeit) und einer Temperatur von etwa 40 bis 80°C, vorzugsweise von 60 bis 70°C, befindet, jegliche Reste von Reinigungsmittel entfernt werden. Die Expositionszeit beträgt hier ebenfalls mindestens 3 min., vorzugsweise zwischen 4 und 5 min. Unterstützt werden diese Spülvorgänge in Wanne 31 durch Anwendung von Ultraschall, in Wanne 41 durch Anwendung einer Durchlaufflutung und in Wanne 41 ebenfalls durch Anwendung von Ultraschall, wobei in Wanne 41 ebenfalls Ultraschall möglich wäre.

In Wanne 61 erfolgt ein reines Tauchspülen und anschließend daran ein Trocknen der Schaltungsplatinen durch das sogenannte "Lift-Out-Verfahren". Dabei werden die Schaltungsplatinen so langsam aus dem Wasser gehoben, daß die Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers von der Oberfläche quasi abrollt, wobei der Verbund Wannenwasser-Oberflächenfilm beste­ hen bleibt und nicht abreißt. In den beiden Trocknungsmoduln 7 und 8 werden die Schaltungsplatinen bei einer Temperatur von etwa 70 bis 90°C, vorzugsweise zwischen 80 und 85°C, mittels Warmluft völlig trockengeblasen.

Claims (9)

1. Reinigungsanlage in Modulbauweise nach dem Baukastenprinzip zum Entfernen von Lötflußmittel- und sonstigen Lötrückständen von elektrischen Schaltungen mittels eines auf Terpenen und oberflächenaktiven Substanzen basierenden Reinigungsmittels, wobei die einzelnen Moduln als Wannen zur Aufnahme von mit Schaltungsplatinen beladenen Drahtgitterhorden ausgeführt und in einer Reihenfolge angeordnet sind, aus der sich folgender Prozeßablauf ergibt:

• - erste Reinigungsstufe zum Vorreinigen mit Ultraschall in reinem Reinigungsmittel,
• - zweite Reinigungsstufe zum Hauptreinigen mittels starker Turbulenzen in reinem Reinigungsmittel,
• - erste Spülstufe zum Grobspülen mit Ultraschall in voll ent­ salztem Wasser mit einem Anteil von verschlepptem Reini­ gungsmittel, der kleiner als 10%, vorzugsweise zwischen 1% und 2%, ist,
• - zweite Spülstufe zum Vorspülen unter Anwendung einer Durch­ laufflutung in voll entsalztem Wasser,
• - dritte Spülstufe zum Feinspülen mit Ultraschall in voll ent­ salztem Wasser,
• - erste und zweite Warmlufttrockenstufe.

2. Reinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Reinigungsstufe entweder nacheinander oder alternie­ rend in einer Wanne ablaufen.

3. Reinigungsanlage nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Reinigungsstufe nacheinander in zwei Wannen ablaufen.

4. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach der dritten Spülstufe und vor der ersten Trockenstufe eine vierte Spülstufe zum Tauchspülen in voll entsalztem Wasser und Trocknen nach einem Verfahren, bei dem die Schal­ tungsplatinen so langsam aus dem Wasser gehoben werden, daß der Wasserfilm von der Oberfläche quasi abrollt.

5. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei bei der Hauptreinigung die Turbulenzen durch Einfluten von Reinigungsmittel unter hohem Druck mittels innerhalb der Wanne und unterhalb des Flüssigkeitsspiegels des in der Wanne umlaufenden Reinigungsmittels angeordneter Düsen erzeugt werden und wobei die Düsen derart angeordnet sind, daß sich ihr Strahl parallel zu den in den Wannen befindlichen Schaltungsplatinen ausbreitet.

6. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Warenhubeinrichtung zur vertikalen Bewegung der Schal­ tungsplatinen innerhalb der Wannen vorgesehen ist.

7. Reinigungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei für die Reinigungswanne oder die -wannen eine indirekte Behei­ zung und Kühlung mit getrennten Flüssigkeitskreisläufen vorge­ sehen ist.

8. Verfahren zum Entfernen von Lötflußmittel- und sonstigen Lötrückständen von elektrischen Schaltungen mittels eines auf Terpenen und oberflächenaktiven Substanzen basierenden Reini­ gungsmittels in einer Reinigungsanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Verfahrensschritten:

• - Vorreinigen mit Ultraschall in reinem Reinigungsmittel bei einer Temperatur zwischen 20°C und 34°C, vorzugsweise zwischen 28°C und 32°C, während einer Dauer von mindestens 3 min., vorzugsweise 4 bis 5 min.,
• - Hauptreinigen in mittels Düsen erzeugter turbulenter Strö­ mung in reinem Reinigungsmittel bei einer Temperatur zwi­ schen 20°C und 34°C, vorzugsweise zwischen 28°C und 32°C, während einer Dauer von mindestens 3 min., vorzugsweise 4 bis 5 min.,
• - Grobspülen mit Ultraschall in voll entsalztem Wasser mit einem Anteil an verschlepptem Reinigungsmittel, der kleiner als 10%, vorzugsweise zwischen 1% und 2% ist, bei einer Temperatur zwischen 40°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 60°C und 70°C, während einer Dauer von mindestens 3 min., vorzugsweise 4 bis 5 min.,
• - Vorspülen in voll entsalztem Wasser mittels Anwendung einer Durchlaufflutung, bei einer Temperatur zwi­ schen 40°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 60°C und 70°C, während einer Dauer von mindestens 3 min., vorzugsweise 4 bis 5 min.,
• - Feinspülen mit Ultraschall in voll entsalztem Wasser, bei einer Temperatur zwischen 40°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 60°C und 70°C, während einer Dauer von mindestens 3 min., vorzugsweise 4 bis 5 min.,
• - Trocknen mit Warmluft, bei einer Temperatur zwischen 70°C und 90°C, vorzugsweise zwischen 80°C und 95°C, während einer Dauer von mindestens 4 min., vorzugsweise 4 bis 6 min.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei nach dem Feinspülen und vor dem Trocknen ein Tauchspülen in voll entsalztem Wasser mit anschließendem Trocknen nach einem Verfahren, bei dem die Schaltungsplatinen so langsam aus dem Wasser gehoben werden, daß der Wasserfilm von deren Oberfläche quasi abrollt, erfolgt.