Stickstoff, Prozessgase und Vakuumansaugung in Halbleiter- und Leiterplattenanlagen überwachen

Stickstoff sieht man an einer Halbleiteranlage nicht, sein Fehlen bemerkt man trotzdem schnell. Er spült Leitungen und Kammern, perlt durch Nassbäder und schützt an der Lötanlage die Lötstelle vor Luft. Ob er an der richtigen Stelle in der vorgesehenen Menge ankommt, fragen Konstrukteure bei Herstellern von Halbleiteranlagen ebenso wie Prozessingenieure an Lötanlagen und Leiterplattenlinien. Hinzu kommt das Vakuum, das eine Leiterplatte auf ihrer Aufnahme festhält. Dieser Beitrag ordnet die dokumentierten Anwendungen nach Aufgaben: Spülgas mit Druck und Durchfluss an einem Punkt, Begasung im Bad, Stickstoff am Kunststoffschlauch, Gase an Edelstahlleitungen und Gase, die in keiner Gasliste der Anleitungen stehen, zuletzt die Vakuumansaugung.

Wichtige Punkte im Überblick

Stickstoff gehört anders als Druckluft zum Prozess selbst, überwacht wird deshalb, ob er an der jeweiligen Prozessstelle in der vorgesehenen Menge ankommt.
Mit Druck und Durchfluss an derselben Stelle lässt sich unterscheiden, ob die Versorgung zu wenig Druck liefert oder der Weg zur Spülstelle verengt ist, beides liefert der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP aus einem Gerät.
Hängen die zwei Begasungsleitungen eines Bades voneinander ab, sagt ein Grenzwert je Leitung wenig, sinnvoll ist, beide zu messen und ihre Werte in der Steuerung gemeinsam zu bewerten.
Für jedes Gas außer Luft, Stickstoff und Argon gilt dieselbe Reihenfolge: zuerst die Gasliste der Anleitung, dann die Rückfrage, erst danach ein Test.
Bei der Vakuumansaugung soll der Sensor laut Anleitung höchstens 2 m vom Sauger entfernt sitzen, denn zu nah an Ejektor oder Vakuumpumpe wird die Erfassung instabil.

Stickstoff ist keine Druckluft: Spülen, Begasen und Schutzgas in der Elektronikfertigung

Druckluft und Stickstoff kommen oft über ähnliche Leitungen an die Maschine und werden doch aus verschiedenen Gründen überwacht. Druckluft bewegt Zylinder und Greifer an Bestück- und Bondanlagen; wie viel davon eine Maschine verbraucht und wo sie verloren geht, behandelt der Beitrag zur Druckluft im Maschinen- und Anlagenbau. Stickstoff dagegen gehört zum Prozess selbst. Beim Spülen soll er Leitungen und Kammern frei halten, im Nassbad die Flüssigkeit in Bewegung bringen, an der Lötanlage eine Schutzatmosphäre bilden.

Die Frage lautet deshalb selten, wie viel Stickstoff ein Werk im Monat bezieht. Gefragt wird, ob das Gas an einer bestimmten Stelle ankommt, wenn der Prozess es braucht. Gemessen wird an der Anlage, häufig an einem Kunststoffschlauch von wenigen Millimetern, manchmal an einer Edelstahlleitung. Daraus ergibt sich schon ein großer Teil der Auswahl.

Drei Modellreihen nennen Stickstoff in ihren Unterlagen. Der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-EC sitzt außen auf dem Schlauch, die Leitung bleibt geschlossen. Der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP wird über eine Steckverbindung in die Schlauchleitung gesetzt und erfasst beide Größen zugleich. Der Anklemmbare Durchflusssensor für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G wird an Stahl- und Edelstahlrohre geklemmt.

Spülgas an der Anlage: Druck und Durchfluss an einem Messpunkt

Ein Hersteller von Halbleiteranlagen spült Leitungen mit Stickstoff und will an der Spülstelle beide Werte kennen, Druck und Durchfluss. Übertragen werden sollen sie per IO-Link, das ist seine Vorgabe an die Messung. Für zwei Baugruppen einer neuen Anlage kommt dafür die Modellreihe FD-EP in Frage.

Der Vorteil eines kombinierten Sensors liegt in der Diagnose. Wer an derselben Stelle Druck und Durchfluss hat, kann unterscheiden, ob die Versorgung zu wenig Druck liefert oder ob der Weg zur Spülstelle verengt ist. Mit zwei getrennten Sensoren ginge das auch, nur mit einem zweiten Gerät und einer zweiten Verbindung in der Leitung.

Laut Anleitung erfasst die Modellreihe FD-EP Luft, Stickstoff und Argon. Der Druckbereich reicht von -100 kPa bis 0,75 MPa, die Druckfestigkeit liegt bei 1 MPa. Angeschlossen wird ein Kunststoffschlauch über eine Steckverbindung. Für typische pneumatische Aufgaben bringt der Sensor Applikationsfunktionen mit, für Abblasen, Ansaugen, Zylinder und Aufsitzkontrolle. Dass derselbe Sensor auch Unterdruck erfasst, ist für den letzten Abschnitt dieses Beitrags wichtig; den Durchfluss misst er allerdings je nach Baugröße nicht im Bereich von -100 bis -50 kPa beziehungsweise von -100 bis -30 kPa.

Begasung im Nassbad: zwei Leitungen, die voneinander abhängen

In zwei Waferbädern wird Stickstoff eingeleitet, damit Blasen durch die Chemie steigen. Jedes Bad hat zwei Zuleitungen, und die beiden hängen voneinander ab: Was in der einen geschieht, verändert den Durchfluss in der anderen.

Für die Überwachung hat diese Kopplung eine Folge. Eine feste Schaltschwelle je Leitung sagt nur dann etwas aus, wenn der Zustand der Nachbarleitung bekannt ist. Naheliegend ist deshalb, beide Leitungen eines Bades zu messen und ihre Werte in der Anlagensteuerung gemeinsam zu bewerten, etwa als Summe und als Verhältnis. Welche Grenzwerte dann gelten, kann nur der Betreiber des Bades festlegen, der seinen Prozess kennt.

Auch an Sprühreinigungsanlagen für die Halbleiterfertigung wird Stickstoff gebraucht. Bei einem Hersteller solcher Anlagen ist noch offen, welche Modellreihe die dort geforderte Stickstoffmenge abdeckt. Diese Frage steht vor jeder Gerätewahl: erst die Menge und die Leitung, dann der Sensor.

Stickstoff am Kunststoffschlauch: Halbleiterprozesse und Lötanlagen

In einem Halbleiterprozess fließt Stickstoff durch einen 8-mm-Schlauch, mit 20 bis 60 l/min. Dafür kommt die Modellreihe FD-EC in Frage. An Lötanlagen einer Leiterplattenfertigung soll im Rahmen von Verbesserungsprojekten der Stickstoffdurchfluss sichtbar werden; auch dort kommt dieselbe Modellreihe in Frage. Ein Anwender von Ätzchemie für Wafer will seine Gasmessungen ebenfalls am Schlauch vornehmen.

Laut Anleitung erfasst die Modellreihe FD-EC Luft, Stickstoff und Argon. Geeignet sind Schläuche aus Polyurethan, Nylon oder PFA sowie andere Kunststoffe, die Ultraschall übertragen, mit Außendurchmessern von 6 bis 12,7 mm. PFA-Schläuche sind bei einer Umgebungstemperatur von höchstens 40 °C vorgesehen, die Gastemperatur darf zwischen -10 und +60 °C liegen. Rechnerisch liegt der 8-mm-Schlauch aus dem Halbleiterprozess innerhalb dieses Durchmesserbereichs. Ob der Messbereich zu 20 bis 60 l/min passt, gehört zur Auswahl.

Wichtig für die Messung von außen ist der Schlauchwerkstoff. Ein Schlauch, der Ultraschall nicht durchlässt, verhindert die Messung von außen. Vor der Festlegung wird deshalb an dem Schlauch getestet, der in der Anlage tatsächlich verlegt ist.

Edelstahlleitungen und weitere Gase: was vorab zu klären ist

Ein Hersteller von Vakuumanlagen für die Halbleiterfertigung will Gase an den Edelstahlleitungen seiner Anlagen bei rund 6 bar überwachen; dafür kommen Anklemmbare Durchflusssensoren für Druckluft und Gase der Modellreihe FD-G in Frage. An denselben Anlagen ist auch Helium erwähnt.

Laut Katalog überwacht die Modellreihe FD-G neben Druckluft auch Stickstoff, und zwar an Stahl- und Edelstahlrohren; Kupferrohre sind nicht vorgesehen. Helium nennt keine Anleitung der Modellreihen FD-G, FD-EC oder FD-EP. Ob Helium an dieser Anlage überwacht werden soll und womit, ist offen.

Ähnlich liegt eine Aufgabe an aufbereiteten Waferanlagen. Statt zwei getrennter Sensoren für Druck und Durchfluss soll ein einziger beide Werte an einem Punkt liefern. Das Gas ist dort jedoch Sauerstoff, und Sauerstoff steht ebenfalls in keiner der Gaslisten. Vor jeder Auswahl ist daher zu klären, ob die Aufgabe mit diesem Gas überhaupt in Frage kommt.

Wo der Stickstoffverbrauch einer ganzen Anlage gefragt ist, kommt die Energie-Management-Einheit der Modellreihe MP-F in Frage, die laut Anleitung für Luft und saubere, nicht korrosive Gase ohne Staub, Ölnebel oder Tropfen bei 0,2 bis 1 MPa gedacht und kein Durchflusssensor ist. Für jedes Gas außer Luft, Stickstoff und Argon gilt dieselbe Reihenfolge: zuerst die Gasliste der Anleitung, dann die Rückfrage, erst danach ein Test.

Vakuumansaugung von Leiterplatte und Wafer überwachen

Eine Leiterplatte, die zum Bearbeiten oder Prüfen angesaugt wird, liegt nur so fest, wie das Vakuum es zulässt. Für die Vakuumansaugung von Leiterplatten über Pneumatikschläuche kommt die Modellreihe FD-EP in Frage. Als Anbindung wünscht sich der Anwender IO-Link oder EtherNet/IP. Auch bei einem Halbleiterhersteller geht es darum, eine Vakuumansaugung zu verbessern.

Für die Ansaugung nennt die Anleitung eine klare Einbauregel. Der Sensor soll höchstens 2 m vom Sauger entfernt sitzen. Sitzt er zu nah am Ejektor oder an der Vakuumpumpe, wird die Erfassung instabil. Für eine Aufnahme mit mehreren Saugstellen heißt das: Die Messstelle gehört an den Schlauch kurz vor der Aufnahme, nicht an den Vakuumerzeuger. Für Wafer auf einer Ansaugaufnahme gilt die Regel ebenso, denn sie betrifft die Ansaugung und nicht das Teil.

Ob das Teil tatsächlich auf der Aufnahme liegt, ist eine eigene Aufgabe der Anwesenheitserkennung. Hier geht es um das Vakuum selbst: ob es sich aufbaut und ob es gehalten wird.

Häufige Fragen

F Warum wird Stickstoff getrennt von der Druckluft überwacht?

Druckluft ist Antriebsenergie, ihr Verbrauch und ihre Leckage sind eine Energiefrage der Maschine. Stickstoff gehört zum Prozess: Er spült, begast oder schützt die Lötstelle. Überwacht wird deshalb, ob er an der jeweiligen Prozessstelle in der vorgesehenen Menge ankommt.

F Welche Schläuche eignen sich für die Messung von außen?

Die Modellreihe FD-EC ist laut Anleitung für Schläuche aus Polyurethan, Nylon oder PFA sowie andere ultraschalldurchlässige Kunststoffe mit 6 bis 12,7 mm Außendurchmesser ausgelegt. PFA-Schläuche sind bis 40 °C Umgebungstemperatur vorgesehen. Ob ein bestimmter Schlauch passt, zeigt ein Test am verlegten Original.

F Was bringt es, Druck und Durchfluss an einem Punkt zu messen?

Mit beiden Werten an derselben Stelle lässt sich unterscheiden, ob die Versorgung zu wenig Druck liefert oder der Weg zum Verbraucher verengt ist. Der Kombinierte Druck- und Durchflusssensor der Modellreihe FD-EP liefert beide Werte aus einem Gerät, im Druckbereich von -100 kPa bis 0,75 MPa; den Durchfluss allerdings je nach Baugröße zwischen -100 und -50 kPa beziehungsweise zwischen -100 und -30 kPa nicht.

F Welche Modellreihe passt an Edelstahlleitungen mit Stickstoff?

Die Modellreihe FD-G überwacht laut Katalog Druckluft und Stickstoff an Stahl- und Edelstahlrohren. Kupferrohre sind nicht vorgesehen. Für andere Gase als Luft, Stickstoff und Argon ist vor der Planung zu klären, ob eine Modellreihe sie abdeckt.

F Wie lässt sich eine Begasung über zwei abhängige Leitungen überwachen?

Wenn eine Leitung den Durchfluss der anderen beeinflusst, sagt ein Grenzwert je Leitung allein wenig. Sinnvoll ist, beide Leitungen zu messen und die Werte in der Steuerung gemeinsam zu bewerten. Die Grenzwerte legt der Betreiber nach seinem Prozess fest.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Füllstand, Durchfluss und Druck: Prozessmedien in Tank, Leitung und Versorgung überwachen

Hauptartikel zum Thema: Füllstand, Durchfluss und Druck in der Elektronik- und Halbleiterfertigung: Reinstwasser, Prozesschemie und Gase überwachen

Weiterer Artikel im Thema: Füllstand von Prozesschemie in Halbleiteranlagen messen: Ätzchemie, Lösungsmittel und Slurry in Kanister, Tank und IBC

Weiterer Artikel im Thema: Reinstwasser und VE-Wasser anklemmen: Durchfluss in Halbleiteranlagen ohne Medienkontakt überwachen

Weiterer Artikel im Thema: Prozesschemie in der Leiterplatten- und Bauteilfertigung: Säure, Flussmittel, Lot, Lack und Vergussmasse überwachen