DE10040335A1

DE10040335A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen elektronischer Bauteile

Info

Publication number: DE10040335A1
Application number: DE10040335A
Authority: DE
Inventors: Silke Bergheim; Frank Gockel
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2002-03-14

Abstract

Zur Vorbereitung des Lötens elektronischer Baugruppen auf Leiterplatten werden diese mit Lötpaste oder Kleber bedruckt. Selbst geringfügige Fehlbedruckungen können zu Kurzschlüssen u. dgl. führen und so die bestimmungsgemäße Funktionsfähigkeit der Baugruppe beeinträchtigen oder zerstören. Wegen der sehr hohen Anforderungen an die Reinheit der eingesetzten Leiterplatten werden fehlbedruckte Leiterplatten derzeit überwiegend entsorgt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Weiter- bzw. Wiederverwertung von fehlbedruckten oder in sonstiger Weise verunreinigten Leiterplatten im Produktionsprozess dadurch ermöglicht, dass die Leiterplatte einem Verfahren zum Bestrahlen mit Trockeneisteilchen unterzogen wird. Die dabei eingesetzten Trockeneisteilchen weisen eine Größe von 0,01-1 mm auf und werden mit einer hohen Teilchendichte, jedoch geringer Geschwindigkeit abgestrahlt. DOLLAR A Die Erfindung führt zu einer enormen Kosteneinsparung, insbesondere durch die Möglichkeit der Weiterverwendung bereits teilgefertigter Leiterplatten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Reinigen elektronischer Bauteile.

Im Fertigungsprozess elektronischer Baugruppen werden elektronische Bauelemente, wie Wiederstände oder integrierte Schaltkreise auf Leiterplatten aufgelötet. Dies erfolgt beispielsweise beim Reflow-Lötverfahren dadurch, dass die Leiterplatten zunächst an den Stellen, an denen später Lötverbindungen bestehen sollen, mit einer u. a. aus Metallpulver und Flussmittel bestehenden Lötpaste bedruckt werden. Anschließend werden die Bauelemente in einem Bestücker in die Lötpaste gepresst und die bestückte Leiterplatte einem Reflow- Ofen zugeführt, in dem das Metallpulver der Lötpaste aufschmilzt und die gewünschte elektrisch leitfähige Verbindung herstellt. Die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Schaltungen führt dabei zu immer größeren Anforderungen an die Qualität der Bedruckung. Selbst geringfügige Fehlbedruckungen können zu Kurzschlüssen u. dergl. führen und so die Funktionsfähigkeit der Baugruppe beeinträchtigen oder zerstören.

Verunreinigte Leiterplatten werden derzeit meist entsorgt. Aufgrund der hohen Reinheitsanforderungen wurde die Möglichkeit, die Leiterplatten etwa durch mechanische oder chemische Reinigungsverfahren einer Wiederverwertung zuzuführen, bislang als in den meisten Fällen unzureichend beurteilt. Ein mechanisches Reinigungsverfahren für die fehlbedruckten oder in sonstiger Weise verunreinigten Leiterplatten auf der Basis von Sand- oder Glasperlen strahlverfahren könnte insbesondere dazu führen, dass Strahlmittelreste, die nach der Bestrahlung auf dem Bauteil zurückbleiben, die Bestückung der Leiterplatte mit elektronischen Bauelemente behindern oder unmöglich macht. Zudem besteht bei bereits teilgefertigten Leiterplatten, die einer Bestrahlung mit Sand- oder Glasperlen unterzogen werden, die Gefahr der Beschädigung bereits montierter Leiterverbindungen. Die Möglichkeit, die Leiterplatten einem nasstechnischem Reinigungsverfahren auf Lösungsmittelbasis zu unterziehen, ist sehr aufwendig und kommt allenfalls für Lötrahmen oder Druckschablonen in Betracht. Der Einsatz derartiger Verfahren für Leiterplatten scheitert insbesondere daran, dass hier die Gefahr einer Delaminierung der Leiterplatte sehr groß ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Möglichkeit zur Reinigung von im Fertigungsprozess elektronischer Baugruppen verunreinigten Bauteilen, insbesondere von Leiterplatten, zu schaffen, die eine bestimmungsgemäße Weiter- bzw. Wiederverwendung der Bauteile ermöglicht.

Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also Trockeneisstrahlen als Reinigungsmittel für Leiterplatten eingesetzt. Beim Trockeneisstrahlen handelt es sich um ein bekanntes Verfahren zur Oberflächenbehandlung, bei dem Trockeneispartikel (Pellets), die durch Pressen von CO₂-Schnee hergestellt wurden, in einem Gasstrom auf eine mit einer zu entfernenden Beschichtung verunreinigte Oberfläche gestrahlt werden. Ausführlich beschrieben wird dieses Verfahren beispielsweise in dem Artikel von S. Donath und F. Lürken: "Cold Jet - umweltfreundliches Reinigen mit Trockeneis-Pellets" gas aktuell 41, S. 4 (1991). Die Reinigungswirkung beruht auf zwei Effekten: Zum einen wird durch den hohen Temperaturunterschied zwischen den auftreffenden Partikeln und der bestrahlten Oberfläche die zu entfernende Beschichtung versprödet und zum anderen besteht eine abrasive Wirkung der mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche auftreffenden Teilchen. Die üblicherweise mit Durchmessern von einigen Millimetern hergestellten Trockeneispellets werden dabei mit Strahldrücken von 3 bis 10 bar in einem Teilchenstrom con va. 80-120 kg/h ausgebracht.

Für die Reinigung von Leiterplatten zwecks Wieder- bzw. Weiterverwertung wurde dieses Reinigungsverfahren bislang nicht in Betracht gezogen, da Trockeneispellets als zu grobkörnig für die hohen Reinheitsanforderungen der elektronischen Industrie galten. Zudem wurde angenommen, dass die hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Trockeneispellets auf die zu reinigende Oberfläche auftreffen, zu Beschädigungen beispielsweise an bereits teilbestückten Leiterplatten führen könnten.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass mit Hilfe des Trockeneisstrahlverfahrens eine schonende und zuverlässige Reinigung von fehlbedruckten oder in sonstiger Weise verunreinigten Leiterplatten möglich ist, die zum einen den hohen Anforderungen der elektronischen Industrie genügt und zum anderen die Wieder- bzw. Weiterverwendung der Leiterplatten im Produktionsprozess zulässt. Insbesondere die Möglichkeit, bereits teilweise bestückte, jedoch bei der Vorbereitung für einen nachfolgenden Lötvorgang fehlbedruckte Leiterplatten reinigen und dem Druckvorgang ohne erkennbare Qualitätsverluste erneut zuführen zu können, führt zu beträchtlichen Kosteneinsparungen.

Um eine selbst hohen Ansprüchen genügende Reinigungswirkung zu erzielen, erweist es sich als zweckmäßig, die Größe der zum Bestrahlen der Leiterplatten eingesetzten Trockeneisteilchen deutlich kleiner als die gewöhnlicher Trockeneispellets zu wählen. Eine vorteilhafte Größenordnung liegt bei einem Teilchendurchmesser von 0.01 mm bis zu maximal 1 mm. Obwohl in etwa kugelförmige Teilchen eine optimale Reinigungswirkung erzielen, ist die Erfindung nicht auf diese Geometrie beschränkt. Die künstlich hergestellten Trockeneisteilchen weisen dabei eine deutlich größere Härte als die bei der Entspannung von flüssigem Kohlendioxid entstehenden Schneeteilchen auf, garantieren jedoch mit ihrer im Vergleich zu anderen Strahlteilchen wie Sand oder Glasperlen geringen Härte von etwa 2 mohs eine schonende Behandlung der bestrahlten Oberfläche. Durch den kleinen Durchmesser wird der Impulsübertrag pro Stoßvorgang - bei gegebener Geschwindigkeit - vermindert und dadurch die Wahrscheinlichkeit einer die Funktionsfähigkeit der Leiterplatte beeinträchtigenden Beschädigung der Leiterplattenoberfläche weiter reduziert.

Um einerseits eine noch bessere Schonung der Oberfläche zu erreichen, andererseits innerhalb eines vorgegebenen Zeitrahmens eine hohe Reinigungsleistung zu erzielen, ist es vorteilhaft, den Partikelstrahl derart auszugestalten, dass die Trockeneisteilchen mit einer hohen Teilchendichte, jedoch geringer Geschwindigkeit abgestrahlt werden. Die verringerte Geschwindigkeit sorgt für einen weiter verminderten Impulsübertrag pro Stoßvorgang, gleichzeitig vergrößert sich die Zahl der Stoßvorgänge pro Zeiteinheit aufgrund der höheren Teilchendichte. Zugleich führt die hohe Dichte kleiner Teilchen aufgrund der insgesamt großen Oberfläche zu einer gegenüber herkömmlichen Pellets verbesserten Wärmeübertragung und damit zu einer stärkeren Versprödung der abzulösenden Beschichtung.

Vorteilhafterweise werden die Trockeneisteilchen durch Pressen von CO₂- Schnee und/oder durch Zermahlen von größeren Trockeneisteilchen, beispielsweise von herkömmlichen Trockeneispellets, gewonnen.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Dabei weist eine Bestrahlungskammer eine Strahleinrichtung für Trockeneisstrahlen sowie eine - vorzugsweise automatische - Stelleinrichtung zum Positionieren der zu behandelnden Bauteile gegenüber der Strahleinrichtung auf. Die Positionierung kann dabei durch Bewegung der Strahleinrichtung gegenüber der Leiterplatte und/oder durch Bewegung der Leiterplatte gegenüber der Strahleinrichtung erfolgen.

Besonders zweckmäßig ist einer der Strahleinrichtung zugeordnete Feindüse, mittels der geringe Durchmesser des Trockeneisteilchen-Strahls erzielbar sind. Hierdurch lassen sich auch Teilabschnitte von Leiterplattenoberflächen reinigen. Dies kommt insbesondere bereits teilweise korrekt mit Bauelementen bestückten Leiterplatten zugute, da diese zuverlässig gereinigt werden können, ohne dass die bereits montierten Bauelemente abgelöst werden müssten. Die Kleinheit der zum Bestrahlen eingesetzten Trockeneispartikel lässt dabei prinzipiell einen Strahldurchmesser zu, der nur geringfügig größer als der Durchmesser der eingesetzten Strahlteilchen ist.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht eine Einrichtung zum automatischen Erfassen und Aussondern von verunreinigten Leiterplatten vor, die der Bestrahlungskammer vorgeschaltet ist.

Anhand der Zeichnungen soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1: einen Abschnitt aus dem Fertigungsprozess einer elektronischen Baugruppe in einem Blockschaltbild und

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Trockeneisstrahlen von Leiterplatten.

Der in Fig. 1 dargestellten Abschnitt aus dem Produktionsprozess 1 einer elektronischen Baugruppe zeigt die zum Auflöten von elektronischen Bauelementen auf eine Leiterplatte 2 in einer Reflow-Lötanlage vorgesehenen Verfahrensschritte. Die Leiterplatte wird dabei einseitig oder auf beiden Seiten mit Bauelementen bestückt. Die in Fig. 1 gezeigte Leiterplatte 2 weist bereits auf einer Seite fertig montierte Bauelemente 3 auf.

Vor dem eigentlichen Lötvorgang erfolgt zunächst eine Bedruckung 4 der Leiterplatte 2 mit einer Lötpaste an den Stellen, an denen später Lötverbindungen entstehen sollen. Die Lötpaste besteht u. a. aus Metallpulver und Flussmittel. Bei dem zur Bedruckung 4 eingesetzten Druckverfahren kann es sich beispielsweise um ein Siebdruckverfahren handeln. In Anschluss daran erfolgt die Bestückung 6, bei der elektronische Bauelemente mit ihren Kontakten in die Lötpaste gedrückt werden. Die so vorbereitete Baugruppe wird einem Lötverfahren 7 unterzogen. Beim Reflow-Verfahren wird dabei die Baugruppe durch einen Lötofen hindurchgeführt, wobei das Metallpulver aufschmilzt und so eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Kontakten der Bauelemente und den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte 2 hergestellt wird. Das Flussmittel aktiviert dabei die Oberfläche der elektrischen Kontakte, verringert eine Oxidbildung und bewirkt die Benetzung.

Beim Bedrucken 4 kann es zu einer fehlerhaften Auftragung von Lotpaste auf eine Leiterplatte 2 kommen. Aus diesem Grunde ist beim Produktionsprozess 1 dem Bedrucken 4 ein Verfahrensschritt zur Kontrolle der jeweils zuvor bedruckten Leiterplatte nachgeschaltet. In diesem Kontrollschritt 8 wird, beispielsweise auf optischem Wege, die tatsächlich mit Lotpaste bedeckte Fläche mit einer Soll- Bedruckung verglichen. Weicht die tatsächliche Bedruckung um solches Maß von der Soll-Bedruckung ab, dass eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Baugruppe zu erwarten ist, wird die Leiterplatte 2 in einem Trennschritt 9 ausgesondert, andernfalls wird sie dem oben beschriebenen Verfahrensschritt der Bestückung 6 mit elektronischen Bauteilen zugeführt.

Die im Trennschritt 9 ausgesonderten Leiterplatten 2 werden einem Reinigungs verfahren unterzogen, bei dem die fehlerhaft aufgedruckte Lotpaste entfernt wird. Dazu werden die fehlerhaften Leiterplatten einer unten näher beschriebenen Bestrahlung 10 mit Trockeneis unterzogen.

Nach erfolgter Bestrahlung 10 wird die gereinigte Leiterplatte 2 einem aber maligen Kontrollschritt 11 unterzogen. In diesem Kontrollschritt 11 werden etwa noch vorhandene Lötpastenreste in einem optischen Abtastverfahren festgestellt. Je nach Ergebnis dieses Kontrollschritts 11 wird die gereinigte Leiterplatte 2 in einem anschließenden Trennschritt 12 in unterschiedlicher Weise behandelt: Wurde die Bestrahlung 10 erfolgreich durchgeführt, d. h. befinden sich keine die Funktionsfähigkeit beeinträchtigenden Lotpastenreste mehr auf der Oberfläche der Leiterplatte 2, so wird die Leiterplatte 2 wieder der Bedruckung 4 zugeführt (Weg 13a). Ergibt der Kontrollschritt 11 ein noch verbesserungsfähiges Reinigungsergebnis, wird die Leiterplatte erneut einer Bestrahlung 10 mit Trockeneisteilchen unterzogen (Weg 13b). Ergibt die Kontrolle eine Beschädigung oder eine durch die Bestrahlung 10 nicht zu beseitigende Beschichtung, so wird die Leiterplatte 2 einer Entsorgung 15 zugeführt (Weg 13c).

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung 18 umfasst eine Strahlkammer 19, die mit einer Strahlvorrichtung 20 ausgerüstet ist. Die Strahlvorrichtung 20 ist mit einer Positioniereinheit 21 verbunden, die eine nahezu beliebige dreidimensionale Bewegung der Strahlvorrichtung 20 gegenüber einer auf einem Zuführband 22 herangeführten, zu reinigenden Leiterplatte 2 erlaubt. Die Führung der Strahlvorrichtung 20 kann dabei automatisch oder manuell erfolgen.

Die als Strahlmittel eingesetzten Trockeneisteilchen werden dadurch erzeugt, dass flüssiges in hier nicht gezeigter Weise Kohlendioxid entspannt und der entstehende Kohlendioxidschnee in einer Formpresse 23 zu Trockeneisteilchen gepresst wird. Um eine möglichst schonende Behandlung der Leiterplatte 2 zu erreichen, weisen die in der Formpresse 23 hergestellten Trockeneisteilchen nur Durchmesser von ca. 10-500 Mikrometer auf. In der Strahleinrichtung 20 werden die Trockeneisteilchen in einem Trägergas mit hoher Geschwindigkeit auf die zu reinigende Oberfläche der Leiterplatte 2 aufgestrahlt. Wegen seiner guten Inertgas-Eigenschaften empfiehlt sich Stickstoff oder ein Edelgas als Trägergas. Der von der Strahleinrichtung 20 emittierte Trockeneisteilchen-Strahl weist bei einem Strahldruck von ca. 3 bis 6 bar eine hohe Teilchendichte auf. Wegen der Kleinheit der Teilchen und dem relativ geringen Strahldruck sind die Einzelimpulse bei Auftreffen auf die Oberfläche der Leiterplatte 2 gering, wodurch eine Beschädigung der Leiterplatte 2 weitgehend vermieden wird. Die Vielzahl an kleinen Strahlteilchen führt zu einer guten Wärmeübertragung auf die Oberfläche der Leiterplatte 2, die wiederum die Versprödung der auf der Oberfläche aufliegenden Lötpaste begünstigt und damit die Ablösung der Lötpasten beschichtung von der Oberfläche der Leiterplatte 2 erleichtert. Die abgelösten Bestandteile der Lötpastenbeschichtung werden einer Entsorgung 25 zugeführt, während die Trockeneisteilchen rückstandsfrei sublimieren. Das dabei entstehende gasförmige Kohlendioxid wird über eine Abgasanlage 26 in die Umgebungsluft geleitet.

Die Strahleinrichtung 20 ist mit einer Feindüse 24 ausgerüstet, die einen Strahldurchmesser von beispielsweise 1 bis 10 mm erzeugt und daher auch zur Reinigung von vorbestimmten Teilabschnitten einer Leiterplatte geeignet ist. Es kann auch eine fokussierende Feindüse 24 zum Einsatz kommen, mit der die Fläche der Auftreffzone der Strahlteilchen auf der Leiterplattenoberfläche weiter verringert werden kann. So können Verunreinigungen, die nur einen kleinen Teilbereich einer Leiterplattenoberfläche betreffen, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgreich behandelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Weiterverwertung von verunreinigten elektronischen Bauteilen, insbesondere Leiterplatten, im Produktionsprozess einer elektronischen Baugruppe. Insbesondere ermöglicht sie die erneute Bedruckung von fehlbedruckten Leiterplatten.

Neben den beschriebenen oberflächenmontierten Leiterplatten (SMT-Technik) kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Reinigung solcher Leiterplatten erfolgreich eingesetzt werden, bei denen die Bauelemente mittels Kleber auf die Leiterplatte aufgesetzt und anschließend in einem Wellenlötverfahren elektrisch kontaktiert werden. In gleicher Weise wie Leiterplatten können auch die zur Bedruckung der Leiterplatten eingesetzten Druckschablonen und Lötrahmen gereinigt werden. Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere die schonende Bearbeitung der Oberfläche, die sich vor allem aus der im Vergleich zu anderen Strahlmitteln wie Sand oder Metallpartikeln geringen Härte von etwa 2 mohs der Trockeneisteilchen ergibt, und die rückstandsfreie Sublimation des Strahlmittels, die eine aufwendige Entsorgung der verunreinigten Strahlmittelrückstände und eine aufwendige Nachreinigung der bestrahlten Bauteile erspart.

Bezugszeichenliste

1

Produktionsprozess

2

Leiterplatte

3

Bauelement

4

Bedruckung

5

-

6

Bestückung

7

Lötverfahren

8

Kontrollschritt

9

Trennschritt

10

Bestrahlung

11

Kontrollschritt

12

Trennschritt

13

a-

13

c Wege (nach Trennung)

14

Entsorgung

15

-

16

-

17

-

18

Vorrichtung

19

Strahlkammer

20

Strahlvorrichtung

21

Positioniereinheit

22

Zuführband

23

Formpresse

24

Feindüse

25

Entsorgung

26

Abgasanlage

Claims

1. Verfahren zum Reinigen von im Fertigungsprozess elektronischer Baugruppen insbesondere mit Lötpaste und/oder Kleber verunreinigten Bauteilen, wie Leiterplatten (2), bei dem die verunreinigten Bauteile mit einem Partikelstrahl aus Trockeneisteilchen bestrahlt werden.

2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die zum Bestrahlen (10) eingesetzten Trockeneisteilchen einen Teilchendurchmesser von 0.01 bis 1 mm aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Bestrahlen (10) eingesetzten Trockeneisteilchen mit hoher Teilchendichte, jedoch geringer Geschwindigkeit abgestrahlt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Bestrahlen (10) eingesetzten Trockeneisteilchen durch Pressen von CO₂- Schnee und/oder durch Zermahlen von größeren Trockeneiskörpern erzeugt werden.

5. Vorrichtung zum Reinigen von im Fertigungsprozess elektronischer Baugruppen insbesondere mit Lotpaste oder Kleber verunreinigten Bauteilen, wie Leiterplatten (2), die eine Bestrahlungskammer (15) aufweist, in der eine Strahleinrichtung (16) für Trockeneisstrahlen sowie eine - vorzugsweise automatische - Stelleinrichtung (17) zum Positionieren der Bauteile gegenüber der Strahleinrichtung (16) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahleinrichtung mit einer Feindüse (24) ausgerüstet ist, mittels der, zwecks Reinigung vorbestimmter Teilabschnitt des Bauteils, geringe Durchmesser des Trockeneisteilchen-Strahls erzielbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestrahlungskammer (15) eine Einrichtung zum automatischen Erkennen und Aussondern einer verunreinigten Leiterplatte (2) vorgeschaltet ist.