Prozesschemie in der Leiterplatten- und Bauteilfertigung: Säure, Flussmittel, Lot, Lack und Vergussmasse überwachen
Auf dem Weg zur fertigen Baugruppe durchläuft eine Leiterplatte eine Reihe nasser Schritte. Kupfer wird aufgebaut und geätzt, Flussmittel und Lot benetzen die Anschlüsse, Lack, Primer und Vergussmasse schützen die Elektronik. Jeder dieser Schritte zieht sein Medium aus einem Tank, und die Tanks sind in dieser Fertigung meist klein. Dieser Beitrag richtet sich an Prozessingenieure bei Leiterplatten- und Bauteileherstellern und an Bauer von Leiterplattenlinien. Er folgt der Platine durch die Schritte, die in den dokumentierten Anwendungen vorkommen, und fragt jeweils, wo ein Füllstand oder ein Durchfluss geprüft wird. Am Ende steht, was sich von einer ersten Messstelle auf die übrigen Tanks einer Linie übertragen lässt.
Wichtige Punkte im Überblick
- In der Leiterplattenfertigung stehen Säure, Flussmittel, Zinn, Lack und Vergussmasse in meist kleinen Tanks, in deren Medium kein Bauteil ragen und deren Kunststoffdeckel für einen Messpunkt nicht durchbohrt werden soll.
- Für drei Grenzwerte wie unten, Mitte und oben braucht es keine drei Geräte, weil der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR den Stand kontinuierlich misst und je nach Modell bis zu fünf Schaltausgänge ausgibt.
- Beim Lack darf der Tank nicht so weit leer laufen, dass die Zuleitung Luft zieht, deshalb liegt der Grenzwert über der Entnahmestelle und hängt davon ab, wo sie im Tank sitzt.
- Tests des Radar-Füllstandssensors am Zinnbad und an Silikongel in zwei Tanks mit Kunststoffdeckel haben funktioniert, am Benzylalkohol verlief ein Test gut.
- Gleichen sich die übrigen Tanks in Werkstoff und Wandstärke des Deckels, lässt sich das Ergebnis der ersten Messstelle auf die Linie übertragen, weichen sie ab, wird nachgetestet.
Nass, aggressiv, in kleinen Tanks: was die Chemie der Leiterplattenlinie von der Messung verlangt
Die Medien könnten kaum verschiedener sein: ein schwefelsäurehaltiges Gemisch in der Galvanik, ein Gemisch aus Fluss- und Salzsäure, Flussmittel, ein Zinnbad, Benzylalkohol, Lack, Primer und Silikongel. Gemeinsam ist ihnen, dass ein Bauteil im Medium dort wenig willkommen ist. Eine Sonde oder ein Schwimmer steht in der Säure oder im Harz und muss mit ihr dauerhaft verträglich sein. Viele Tanks tragen zudem einen Kunststoffdeckel, der für einen Messpunkt nicht durchbohrt werden soll.
Für den Füllstand ist deshalb in fast allen Fällen der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR vorgesehen. Er misst von oben, und das Millimeterwellenradar durchdringt nach Katalog Kunststoff und Glas. Wie stark das Signal durch einen bestimmten Deckel kommt, hängt vom Werkstoff ab. Für Umgebungen mit Chemikalien führt der Katalog ein Kompaktmodell als chemikalienbeständig, mit chemikalienbeständigem PVC-Kabel; die Linse besteht aus PTFE. Eine Aussage zu einer bestimmten Säure oder einem bestimmten Lösungsmittel enthält das nicht, sie wird je Medium vor der Auswahl geklärt.
Nicht Gegenstand dieses Beitrags ist, ob die Lötstelle, die Vergussfüllung in der fertigen Baugruppe oder eine Schicht auf der Platine stimmt. Das sind Prüfaufgaben am Produkt. Hier geht es um das Medium im Tank und in der Leitung, bevor es die Platine erreicht.
Säure beim Galvanisieren und Ätzen: Füllstand und Durchfluss an mehreren Punkten
Ein Bauer von Linien für die Leiterplattenfertigung will für ein schwefelsäurehaltiges Gemisch, das über PVC-Leitungen fließt, den Durchfluss überwachen und den Füllstand an drei Stellen kennen: unten, in der Mitte und oben.
Für die Leitung kommt der Anklemmbare Durchflusssensor der Modellreihe FD-H in Frage, dessen Unterlagen Hartkunststoff- und PVC-Rohre von 13 bis 44 mm nennen. Ob die vorhandenen Leitungen in diesen Bereich fallen, ist die erste Frage an der Anlage. Für die drei Füllstände braucht es rechnerisch nicht drei Geräte. Der Radar-Füllstandssensor misst den Stand kontinuierlich und gibt laut Katalog je nach Modell bis zu fünf Schaltausgänge aus, mit einer Auswerteeinheit lassen sich also drei Grenzwerte an einem Sensor einstellen. Ob die Anlage zusätzlich einen Analogwert oder IO-Link erwartet, entscheidet ihre Steuerung.
Ein Hersteller elektronischer Bauteile arbeitet mit einem Gemisch aus Fluss- und Salzsäure in einem Kunststofftank. Der Füllstand soll von oberhalb des Kunststoffdeckels erfasst werden, sodass der Tank geschlossen bleibt. Gerade bei diesem Säuregemisch gilt, was oben zur Beständigkeit steht: Eine pauschale Zusage gibt der Katalog nicht, die Eignung wird vor jeder Festlegung an diesem Medium geprüft.
Flussmittel und Zinnbad: Füllstand an Löt- und Tauchanlagen
An einer Lötlinie für Leiterplatten steht das Flussmittel in einem Tank von 20 bis 30 l. Gefragt ist eine Kontrolle des Füllstands. Die übrigen Anforderungen an dieser Linie betreffen die Bestückung und die Oberfläche der Platine und gehören zu anderen Aufgaben.
Bei einem Leiterplattenhersteller, der Platinen in ein Zinnbad taucht, hat ein Test des Radar-Füllstandssensors am Zinnbad funktioniert. Dort ist außerdem der Füllstand eines Lacks zu erfassen. Weitere Bedingungen am Bad sind nicht dokumentiert.
An beiden Anlagen ist der Füllstand kein Laborwert, sondern ein Signal an der Maschine. Ein Schaltausgang meldet, bevor nachgefüllt werden muss, ein zweiter warnt kurz vor dem Mindeststand; wer den Verlauf sehen will, nimmt den Analogausgang. Den Stickstoff an Lötanlagen behandelt der Beitrag zu Stickstoff, Prozessgasen und Vakuumansaugung dieser Reihe.
Benzylalkohol, Lack, Primer und Silikongel: Füllstand vor dem Mischen und Auftragen
In einer Leiterplattenfertigung wird Benzylalkohol angemischt. Ein Test des Radar-Füllstandssensors an diesem Medium verlief gut.
Ein Hersteller elektronischer Steuerungen will den Stand eines Lacks so überwachen, dass keine Luft in die Lackleitung gelangt. Die Aufgabe zeigt, worum es beim Auftragen eigentlich geht: Der Tank darf nicht so weit leer laufen, dass die Zuleitung Luft zieht. Der Grenzwert liegt deshalb über der Entnahmestelle und hängt davon ab, wo sie im Tank sitzt.
Auf Leiterplatten wird außerdem ein transparenter Primer aufgetragen. Für seinen Füllstand kommen Digitale Lichtleitersensoren der Modellreihe FS-N in Frage.
Für den Verguss elektronischer Baugruppen steht Silikongel in zwei Tanks mit Kunststoffdeckel. Der Test mit dem Radar-Füllstandssensor hat funktioniert. Dieselbe Fertigung spült mit Stickstoff; welche Messung dort passt, ist noch offen. Wie viel Vergussmasse am Ende in der Baugruppe ankommt, ist eine Prüfaufgabe am Produkt und nicht Teil dieser Messung.
Erst eine Messstelle, dann die Linie: was sich von einem Tank auf die anderen übertragen lässt
Eine Leiterplattenlinie hat selten nur einen Tank. Am Zinnbad hat der Test funktioniert, beim Silikongel an zwei Tanks ebenfalls, beim Benzylalkohol verlief er gut.
Daraus folgt nicht, dass jeder weitere Tank genauso funktioniert. Jeder Tank hat einen anderen Deckel, eine andere Höhe und ein anderes Medium, und ein Test an einem Tank klärt diese Punkte für genau diesen Tank. Fallen Werkstoff und Wandstärke bei den übrigen Tanks gleich aus, lässt sich das Ergebnis übertragen. Weichen sie ab, wird nachgetestet.
Für den Test lohnt eine kurze Liste. Welches Medium steht im Tank, und gibt es dazu eine Angabe zur Verträglichkeit? Aus welchem Kunststoff und wie dick ist der Deckel? Wie weit ist es vom Sensor bis zum höchsten und zum niedrigsten Stand? Und welches Signal erwartet die Steuerung? Der Radar-Füllstandssensor gibt Schaltausgänge, 4-20 mA oder IO-Link aus, über das Netzwerk-Kommunikationsmodul der Modellreihe NQ auch EtherNet/IP, PROFINET oder EtherCAT. Mit diesen Antworten wird aus der ersten Messstelle eine, die sich auf die Linie übertragen lässt.
Häufige Fragen
F Lassen sich mehrere Grenzwerte an einem Tank mit einem Sensor überwachen?
A
Der Radar-Füllstandssensor der Modellreihe FR misst den Stand kontinuierlich und gibt laut Katalog je nach Modell bis zu fünf Schaltausgänge aus. Drei Grenzwerte wie unten, Mitte und oben lassen sich damit an einem Gerät einstellen. Je nach Modell steht zusätzlich ein Analogausgang zur Verfügung.
F Kann der Durchfluss an einer PVC-Leitung von außen gemessen werden?
A
Die Unterlagen des Anklemmbaren Durchflusssensors der Modellreihe FD-H nennen Hartkunststoff- und PVC-Rohre von 13 bis 44 mm. Der Sensor sitzt außen auf dem Rohr, die Leitung bleibt geschlossen. Ob die vorhandene Leitung in diesen Bereich fällt, klärt man an der Anlage.
F Ist der Radar-Füllstandssensor für jede Säure geeignet?
A
Der Katalog führt ein Kompaktmodell als chemikalienbeständig, mit chemikalienbeständigem PVC-Kabel und PTFE-Linse. Eine Beständigkeitsaussage für eine bestimmte Säure oder ein Säuregemisch ist das nicht. Die Eignung wird je Medium geprüft, bevor ein Modell festgelegt wird.
F Gehört die Kontrolle der Vergussfüllung in der Baugruppe dazu?
A
Nein. Die Messung betrifft die Vergussmasse im Tank, bevor sie verarbeitet wird. Ob die Füllung in der fertigen Baugruppe stimmt, ist eine Prüfaufgabe am Produkt.
F Wie lässt sich eine Messung von einem Tank auf die Linie übertragen?
A
Zuerst wird eine Messstelle an einem Tank geprüft, am realen Medium und am realen Deckel. Gleichen sich die übrigen Tanks in Werkstoff und Wandstärke, lässt sich das Ergebnis übertragen; weichen sie ab, wird an diesen Tanks nachgetestet.
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