Gedruckte Leiterplatten

Gedruckte Verdrahtungsplatten (PWBs) sind das verbindende elektrische Gerüst und die physische Struktur, die die verschiedenen elektronischen Komponenten einer gedruckten Schaltungsplatte zusammenhalten. Die Hauptkategorien von PWBs sind einseitig, doppelseitig, mehrschichtig und flexibel. Die Komplexitäts- und Abstandsanforderungen von immer dichter werdenden und kleineren Platinen haben es erforderlich gemacht, dass beide Seiten der Platine mit darunterliegenden Schaltungen bedeckt sind. Einseitige Leiterplatten erfüllten die Anforderungen früher Rechner und einfacher Unterhaltungselektronikgeräte, aber tragbare Notebook-Computer, persönliche digitale Assistenten und persönliche Musiksysteme erforderten doppelseitige und mehrschichtige PWBs. Die Verarbeitung der Strukturierung von PWBs ist im Wesentlichen ein fotolithografischer Prozess, der das selektive Abscheiden und Entfernen von Materialschichten auf einem dielektrischen Substrat umfasst, das als elektrische „Verdrahtung“ dient, die auf der gedruckten Leiterplatte geätzt oder abgeschieden wird.

Mehrschichtplatten enthalten zwei oder mehr Teile aus dielektrischem Material mit Schaltkreisen, die aufeinander gestapelt und miteinander verbunden sind. Elektrische Verbindungen werden von einer Seite zur anderen und zu den Schaltkreisen der inneren Schicht durch gebohrte Löcher hergestellt, die anschließend mit Kupfer durchkontaktiert werden. Das am häufigsten verwendete dielektrische Substrat sind Glasfaserplatten (Epoxid/Glasfaserlaminat). Andere Materialien sind Glas (mit Polyimid-, Teflon- oder Triazinharzen) und mit Phenolharz beschichtete Papiere. In den Vereinigten Staaten werden laminierte Platten nach ihren feuerlöschenden Eigenschaften kategorisiert; Bohr-, Stanz- und Bearbeitungseigenschaften; Eigenschaften der Feuchtigkeitsaufnahme; Chemikalien- und Hitzebeständigkeit; und mechanische Festigkeit (Sober 1995). Das FR-4 (Epoxidharz- und Glasgewebesubstrat) wird häufig für High-Tech-Anwendungen verwendet.

Der eigentliche PWB-Prozess beinhaltet zahlreiche Schritte und eine große Vielfalt an chemischen Mitteln. Tabelle 1 veranschaulicht einen typischen Mehrschichtprozess und die mit diesem Prozess verbundenen EHS-Probleme. Der Hauptunterschied zwischen einer einseitigen und einer doppelseitigen Platine besteht darin, dass die einseitige mit einem Rohmaterial beginnt, das nur auf einer Seite mit Kupfer plattiert ist, und den Schritt der stromlosen Kupferplattierung weglässt. Die doppelseitige Standardplatine hat eine Lötmaske über blankem Kupfer und wird durch die Löcher plattiert; die platine hat goldbeschichtete kontakte und eine komponentenbezeichnung. Die Mehrzahl der PWBs sind Mehrschichtplatten, die doppelseitig mit Innenschichten sind, die hergestellt und in das Laminatpaket eingelegt und dann fast identisch wie eine Doppelschichtplatte verarbeitet wurden.

Tabelle 1. PWB-Prozess: Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsaspekte

Cl₂ = Chlorgas; CO = Kohlenmonoxid; CuSO₄ = Kupfersulfat; H₂O₂ = Wasserstoffperoxid;H₂SO₄ = Schwefelsäure; H₃PO₄ = Phosphorsäure; HBR = Bromwasserstoffsäure; HCl = Salzsäure; HNO₃ = Salpetersäure; K₂CO₃ = Kaliumcarbonat; KMNO₄ = Kaliumpermanganat; N / A₃PO₄ = Natriumphosphat; NH₄Cl = Ammoniumchlorid; NH₄OH = Ammoniumhydroxid; NiSO₄ = Nickelsulfat; Pb = Blei; Sn = Zinn; SnCl₂ = Zinnchlorid; UV = Ultraviolett; VOC = flüchtige organische Verbindungen.

Leiterplattenbestückung

Die Bestückung von Leiterplatten (PCB) beinhaltet die harte Befestigung elektronischer Komponenten an der PWB durch die Verwendung von Blei/Zinn-Lot (in einer Wellenlötmaschine oder als Paste aufgetragen und dann in einem Niedertemperaturofen aufgeschmolzen) oder Epoxidharzen ( im Niedertemperaturofen ausgehärtet). Die darunter liegende PWB (einseitig, doppelseitig, mehrschichtig oder flexibel) bestimmt die Dichte der Komponenten, die angebracht werden können. Zahlreiche Prozess- und Zuverlässigkeitsaspekte bilden die Grundlage für die Auswahl der einzusetzenden Leiterplattenbestückungsverfahren. Die wichtigsten technologischen Prozesse sind: Total Surface Mounting Technology (SMT), gemischte Technologie (umfasst sowohl SMT als auch durchkontaktierte Löcher (PTH)) und Unterseitenbefestigung.

Typischerweise wird in modernen Elektronik-/Computer-Montageanlagen die gemischte Technologie verwendet, wobei einige Komponenten oberflächenmontiert und andere Verbinder/Komponenten unter Verwendung von Durchgangsloch-Technologie oder Lot-Reflow aufgelötet werden. Ein "typischer" gemischter Technologieprozess wird unten diskutiert, wobei ein Oberflächenmontageprozess verwendet wird, der Klebebefestigung, Wellenlöten und Reflow-Löten beinhaltet. Bei gemischter Technologie ist es manchmal möglich, oberflächenmontierte Komponenten (SMCs) auf der Oberseite einer doppelseitigen Platine aufzuschmelzen und die SMCs auf der Unterseite zu löten. Ein solches Verfahren ist besonders nützlich, wenn die Oberflächenmontage- und Durchgangslochtechnologien auf einer einzigen Platine gemischt werden müssen, was die Norm in der derzeitigen Elektronikfertigung ist. Der erste Schritt besteht darin, die SMCs mit dem Reflow-Lötprozess auf der Oberseite der Platine zu montieren. Als nächstes werden die Durchgangslochkomponenten eingefügt. Die Platine wird dann umgedreht und die Unterseiten-SMCs werden klebend an der Platine angebracht. Das Wellenlöten sowohl der Durchgangslochkomponenten als auch der Unterseiten-SMCs ist der letzte Schritt.

Die wichtigsten technischen Mischtechnologie-Prozessschritte umfassen:

• Vor- und Nachreinigung

• Lotpasten- und Kleberauftrag (Siebdruck und Bestückung (SMT und PTH))

• Komponenten einfügen

• Klebstoffaushärtung und Lötrückfluss

• Fluxen (PTH)

• Wellenlöten (PTH)

• Inspektion und Nachbesserung

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• nacharbeiten und reparieren

• Support-Operationen – Schablonenreinigung.

Eine kurze Erörterung der wichtigen Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsauswirkungen für jeden Verfahrensschritt wird unten bereitgestellt.

Vor- und Nachreinigung

Kommerzielle PWBs werden typischerweise von einem PWB-Lieferanten gekauft und wurden mit deionisierter (DI) Wasserlösung vorgereinigt, um alle Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Vor den Bedenken hinsichtlich des Abbaus der stratosphärischen Ozonschicht wurde eine ozonabbauende Substanz, wie z. B. ein Chlorfluorkohlenstoff (CFC), als Endreinigung oder sogar als Vorreinigung durch den Hersteller elektronischer Geräte verwendet. Am Ende des PCB-Montageprozesses war die Verwendung eines Chlorfluorkohlenstoff-Dampfentfettungsvorgangs typisch, um Rückstände aus dem Flussmittel-/Wellenlötvorgang zu entfernen. Wiederum aufgrund von Bedenken hinsichtlich des Ozonabbaus und strenger behördlicher Kontrollen bei der Produktion von FCKW wurden Prozessänderungen vorgenommen, die es den kompletten PWB-Baugruppen ermöglichten, die Reinigung zu umgehen oder nur eine Reinigung mit DI-Wasser zu verwenden.

Lotpasten- und Klebstoffauftrag (Schablonendruck und Bestückung) und Bauteilbestückung

Das Aufbringen von Blei/Zinn-Lötpaste auf die PWB-Oberfläche ermöglicht das Anbringen der oberflächenmontierten Komponente an der PWB und ist der Schlüssel zum SMT-Prozess. Das Lötmaterial dient als mechanische Verbindung für elektrische und thermische Leitung und als Beschichtung für Oberflächenschutz und verbesserte Lötbarkeit. Die Lötpaste besteht zu etwa 70 bis 90 % aus nichtflüchtigen Bestandteilen (auf Gewicht pro Gewicht oder Gewicht pro Volumenbasis):

• Blei/Zinn-Lot

• eine Mischung aus modifizierten Harzen (Kolophoniumsäuren oder leicht aktiviertes Kolophonium)

• Aktivatoren (bei „no clean“-Produkten Mischungen aus Aminhydrohalogeniden und Säuren oder nur Carbonsäuren).

Lösungsmittel (flüchtige Stoffe) machen den Rest des Produkts aus (typischerweise eine Mischung aus Alkohol und Glykolether, die eine proprietäre Mischung ist).

Die Lötpaste wird durch eine Schablone gedruckt, die ein genaues Muster des Oberflächendesigns ist, das der PWB-Oberfläche hinzugefügt werden soll. Die Lötpaste wird durch die Öffnungen in der Schablone auf die Padstellen auf der PWB mittels einer Rakel gedrückt, die langsam die Schablone durchquert. Die Schablone wird dann abgehoben, wobei die Pastenablagerungen auf den entsprechenden Pads auf der Platte verbleiben. Die Komponenten werden dann auf die PWB gesteckt. Die primären EHS-Gefahren beziehen sich auf die Haushaltsführung und persönliche Hygiene der Bediener, die die Lötpaste auf die Schablonenoberfläche auftragen, die Rakel reinigen und die Schablonen reinigen. Die Bleikonzentration im Lötmittel und die Tendenz der getrockneten Lötpaste, an der Haut und den Arbeitsflächen von Geräten/Einrichtungen zu haften, erfordern die Verwendung von Schutzhandschuhen, eine gründliche Reinigung der Arbeitsflächen und die sichere Entsorgung kontaminierter Reinigungsmaterialien ( Umgang mit der Umwelt) und strenge persönliche Hygiene durch die Bediener (z. B. Händewaschen mit Seife vor dem Essen, Trinken oder Auftragen von Kosmetika). Die Expositionswerte in der Luft liegen typischerweise unter der Nachweisgrenze für Blei, und wenn eine gute Haushaltsführung/persönliche Hygiene angewendet wird, liegen die Blutbleiwerte auf Hintergrundwerten.

Das Auftragen des Klebstoffs umfasst das automatisierte Auftragen kleiner Mengen eines Epoxidharzes (typischerweise eine Bisphenol-A-Epichlorhydrin-Mischung) auf die PWB-Oberfläche und das anschließende „Aufnehmen und Platzieren“ der Komponente und das Einsetzen durch das Epoxidharz auf die PWB. Die EHS-Gefahren beziehen sich in erster Linie auf die mechanischen Sicherheitsrisiken der „Pick-and-Place“-Einheiten aufgrund ihrer automatisierten mechanischen Baugruppen, der Komponenten-Shuttles auf der Rückseite der Einheiten und der Möglichkeit schwerer Verletzungen, wenn keine angemessenen Schutzvorrichtungen, Lichtvorhänge und Hardware-Verriegelungen vorhanden sind Geschenk.

Klebstoffaushärtung und Lötrückfluss

Die Komponenten, die durch Schablonendruck oder Klebstoffauftrag befestigt wurden, werden dann auf einem mechanischen Förderer mit fester Höhe zu einem Inline-Reflow-Ofen transportiert, der das Lot durch Aufschmelzen der Lotpaste bei etwa 200 bis 400 °C „auslöst“. Die Komponenten, die mit dem Epoxidklebstoff befestigt wurden, werden auch durch einen Ofen geführt, der dem Aufschmelzlöten nachgeschaltet ist und typischerweise bei 130 bis 160 betrieben wird^oC. Die Lösungsmittelbestandteile der Lotpaste und des Epoxidharzes werden während des Ofenprozesses ausgetrieben, aber der Blei/Zinn-Anteil wird nicht verflüchtigt. Im Abluftkanal des Reflow-Ofens bildet sich ein spinnennetzartiger Rückstand, und ein Metallgewebefilter kann verwendet werden, um dies zu verhindern. PWBs können sich gelegentlich im Fördersystem verfangen und im Ofen überhitzen, was unangenehme Gerüche verursacht.

Flussmittel

Um eine zuverlässige Lötverbindung an der PWB-Oberfläche und dem Bauteilanschluss zu bilden, müssen beide frei von Oxidation sein und dies auch bei den beim Löten verwendeten erhöhten Temperaturen bleiben. Außerdem muss die geschmolzene Lotlegierung die Oberflächen der zu verbindenden Metalle benetzen. Dies bedeutet, dass das Flussmittel mit Metalloxiden reagieren und diese von den zu verbindenden Oberflächen entfernen muss und eine erneute Oxidation der gereinigten Oberflächen verhindern muss. Es erfordert auch, dass die Rückstände entweder nicht korrosiv oder leicht entfernbar sind. Flussmittel zum Löten elektronischer Geräte fallen in drei große Kategorien, allgemein bekannt als Flussmittel auf Kolophoniumbasis, organische oder wasserlösliche Flussmittel und durch Lösungsmittel entfernbare synthetische Flussmittel. Neuere, feststoffarme „no clean“- oder Non-Volatile Organic Compound (NVOC)-Flussmittel fallen in die mittlere Kategorie.

Flussmittel auf Kolophoniumbasis

Die auf Kolophonium basierenden Flussmittel sind die am häufigsten verwendeten Flussmittel in der Elektronikindustrie, entweder als Flussmittel sprühen or Schaumflussmittel. Der Fluxer kann entweder in der Wellenlötanlage enthalten sein oder als eigenständige Einheit am Eingang der Einheit positioniert werden. Als Basis haben Flussmittel auf Kolophoniumbasis natürliches Kolophonium oder Kolophonium, das durchscheinende, bernsteinfarbene Kolophonium, das nach der Destillation von Terpentin aus dem Oleoresin und Kanalharz von Kiefern gewonnen wird. Das Harz wird gesammelt, erhitzt und destilliert, wodurch alle festen Partikel entfernt werden, was zu einer gereinigten Form des Naturprodukts führt. Es ist ein homogenes Material mit einem einzigen Schmelzpunkt.

Kolophonium ist eine Mischung aus etwa 90 % Harzsäure, bei der es sich hauptsächlich um Abietinsäure (eine nicht wasserlösliche, organische Säure) mit 10 % neutralen Stoffen wie Stilbenderivaten und verschiedenen Kohlenwasserstoffen handelt. Abbildung 1 zeigt die chemischen Strukturen für Abietinsäure und Pimarsäure.

Abbildung 1. Abietin- und Pimarsäuren

Der aktive Bestandteil ist Abietinsäure, die bei Löttemperatur chemisch aktiv ist und das Kupferoxid auf der PWB-Oberfläche angreift und Kupferabiet bildet. Flussmittel auf Kolophoniumbasis bestehen aus drei Komponenten: dem Lösungsmittel oder Vehikel, dem Kolophonium und dem Aktivator. Das Lösungsmittel fungiert einfach als Vehikel für das Flussmittel. Um wirksam zu sein, muss das Kolophonium in flüssigem Zustand auf die Platte aufgetragen werden. Dies wird erreicht, indem das Kolophonium und der Aktivator in einem Lösungsmittelsystem gelöst werden, typischerweise Isopropylalkohol (IPA) oder Mehrkomponentenmischungen von Alkoholen (IPA, Methanol oder Ethanol). Anschließend wird das Flussmittel entweder durch Zugabe von Luft oder Stickstoff auf die Unterseite der Leiterplatte aufgeschäumt oder in einer „Low-Solids“-Mischung mit höherem Lösemittelanteil aufgesprüht. Diese Lösungsmittelkomponenten haben unterschiedliche Verdunstungsraten, und der Flussmittelmischung muss ein Verdünner zugesetzt werden, um eine konstituierende Flussmittelzusammensetzung aufrechtzuerhalten. Die Hauptkategorien von Flussmitteln auf Kolophoniumbasis sind: Kolophonium mit geringer Aktivität (RMA), das sind die typischen verwendeten Flussmittel, denen ein milder Aktivator zugesetzt wird; und Kolophonium aktiv (RA), dem ein aggressiverer Aktivator zugesetzt wurde.

Die primäre EHS-Gefahr aller Flussmittel auf Kolophoniumbasis ist die alkoholische Lösungsmittelbasis. Sicherheitsrisiken beziehen sich auf Entflammbarkeit bei Lagerung und Verwendung, Einstufung und Handhabung als gefährlicher Abfall, Luftemissionen und Behandlungssysteme, die erforderlich sind, um die VOCs zu entfernen, und industrielle Hygieneprobleme im Zusammenhang mit Inhalation und Haut- (dermaler) Exposition. Jeder dieser Punkte erfordert eine andere Kontrollstrategie, Mitarbeiterschulung und -schulung sowie Genehmigungen und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften (Association of the Electronics, Telecommunications and Business Equipment Industries 1991).

Beim Wellenlöten wird das Flussmittel auf 183 bis 399 °C erhitzt; Luftgetragene Produkte, die erzeugt werden, umfassen aliphatische Aldehyde, wie Formaldehyd. Viele Flussmittel enthalten auch ein organischer Amin-Hydrochlorid-Aktivator, Dies hilft, den zu lötenden Bereich zu reinigen und setzt beim Erhitzen Salzsäure frei. Andere gasförmige Komponenten umfassen Benzol, Toluol, Styrol, Phenol, Chlorphenol und Isopropylalkohol. Zusätzlich zu den gasförmigen Bestandteilen des erhitzten Flussmittels entsteht eine beträchtliche Menge an Partikeln mit einer Größe von 0.01 Mikron bis 1.0 Mikron, bekannt als Kolophoniumdämpfe. Es wurde festgestellt, dass diese Partikelmaterialien die Atemwege reizen und bei empfindlichen Personen auch Atemwegssensibilisatoren sind (Hausen, Krohn und Budianto 1990). Im Vereinigten Königreich erfordern Luftbelastungsstandards, dass die Konzentrationen von Kolophoniumdämpfen auf die niedrigsten erreichbaren Werte kontrolliert werden (Health and Safety Commission 1992). Darüber hinaus hat die American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) einen separaten Grenzwert für die Pyrolyseprodukte von Kolophoniumkernlot von 0.1 mg/m festgelegt³, gemessen als Formaldehyd (ACGIH 1994). Die Lead Industries Association, Inc. identifiziert Aceton, Methylalkohol, aliphatische Aldehyde (gemessen als Formaldehyd), Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan, Ethan, Abietinsäure und verwandte Diterpensäuren als typische Zersetzungsprodukte des Kolophoniumkernlötens (Lead Industries Association 1990 ).

Organische Flussmittel

Organische Flussmittel, manchmal auch als Zwischenflussmittel oder wasserlösliche Flussmittel bezeichnet, sind Verbundstoffe, die aktiver sind als die Flussmittel auf Kolophoniumbasis und weniger korrosiv als die in der metallverarbeitenden Industrie verwendeten Säureflussmittel. Die allgemeinen Wirkstoffe dieser Flussmittelklasse lassen sich in drei Gruppen einteilen:

• Säuren (z. B. Stearinsäure, Glutaminsäure, Milchsäure, Zitronensäure)

• Halogene (z. B. Hydrochloride, Bromide, Hydrazin)

• Amide und Amine (z. B. Harnstoff, Triethanolamin).

Diese Materialien und andere Teile der Formulierung, wie Tenside zur Unterstützung der Verringerung der Oberflächenspannung des Lötmittels, werden in Polyethylenglykol, organischen Lösungsmitteln, Wasser oder gewöhnlich einer Mischung aus mehreren davon gelöst. Organische Flussmittel müssen als korrosiv angesehen werden, können aber leicht mit nicht mehr als heißem Wasser entfernt werden.

Synthetisch aktivierte (AS) Flussmittel

Während Flussmittel auf Kolophoniumbasis feste Materialien sind, die in einem Lösungsmittel gelöst sind, sind AS-Flussmittel normalerweise vollständig flüssige Formeln (Lösungsmittel + Flussmittel). Der Lösungsmittelträger wird während der Vorheizphase des Wellenlötens ausgetrieben und hinterlässt einen nassen und öligen Rückstand auf der PWB-Oberfläche, der unmittelbar nach dem Löten entfernt werden muss. Das Hauptattribut von AS-Flussmitteln ist ihre Fähigkeit, durch die Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels, typischerweise auf Fluorkohlenstoffbasis, entfernt zu werden. Aufgrund der Einschränkungen bei der Verwendung von ozonabbauenden Substanzen wie Fluorkohlenstoffen (Freon TF, Freon TMS usw.) hat die erforderliche Verwendung dieser Reinigungsmaterialien die Verwendung dieser Klasse von Flussmitteln stark eingeschränkt.

Flussmittel mit niedrigem Feststoffgehalt „no clean“ oder VOC-frei

Die Notwendigkeit, die Reinigung von korrosiven oder klebrigen Flussmittelrückständen nach dem Löten mit Fluorkohlenstoff-Lösungsmitteln zu beseitigen, hat zur weitverbreiteten Verwendung einer neuen Klasse von Flussmitteln geführt. Diese Flussmittel haben eine ähnliche Aktivität wie die RMA-Flussmittel und haben einen Feststoffgehalt von etwa 15 %. Der Feststoffgehalt ist ein Maß für die Viskosität und entspricht dem Verhältnis von Flussmittel zu Lösungsmittel. Je niedriger der Feststoffgehalt, desto höher der Lösungsmittelanteil. Je höher der Feststoffgehalt, desto aktiver das Flussmittel und desto mehr Potenzial für einen Reinigungsschritt nach dem Löten. Flussmittel mit niedrigem Feststoffgehalt (LSF) wird üblicherweise in der Elektronikindustrie verwendet und erfordert normalerweise keinen Nachreinigungsschritt. Aus Sicht der Luftemission in die Umwelt beseitigte das LSF die Notwendigkeit einer Fluorkohlenstoffdampf-Entfettung von wellengelöteten Platinen, aber mit ihrem höheren Lösungsmittelgehalt erhöhten sie die Menge an verdampften alkoholbasierten Lösungsmitteln, was zu höheren VOC-Werten führte. VOC-Emissionen in die Luft werden in den Vereinigten Staaten und an vielen Orten weltweit streng kontrolliert. Dieser Situation wurde durch die Einführung von „no clean“-Flussmitteln begegnet, die auf Wasserbasis (statt auf Lösungsmittelbasis) basieren, aber ähnliche Aktivatoren und Flussmittel enthalten. Die Hauptwirkstoffe basieren auf Dicarbonsäure (2 bis 3 %), typischerweise Glutar-, Bernstein- und Adipinsäure. Surfactants und Korrosionsinhibitoren (ungefähr 1 %) sind ebenfalls enthalten, was zu einem pH (Säuregrad) von 3.0 bis 3.5 führt. Diese Flussmittel eliminieren praktisch VOC-Luftemissionen und andere EHS-Gefahren, die mit der Verwendung von Flussmitteln auf Lösungsmittelbasis verbunden sind. Die bei Flussmitteln auf Kolophoniumbasis festgestellten Zersetzungsprodukte sind immer noch anwendbar, und der milde pH-Wert erfordert, dass die Ausrüstung zur Handhabung des Flussmittels säurebeständig ist. Einige anekdotische Beweise weisen auf potenzielle Haut- oder Atemwegsprobleme durch die getrockneten, leicht sauren Dicarbonsäuren und Korrosionsinhibitoren hin, die zu Rückständen auf Platinenträgern, Wagen und Innenflächen von Wellenlötgeräten werden können, die diese Verbindungen verwenden. Außerdem wird die Wasserkomponente dieser Flussmittel möglicherweise nicht ausreichend verdampft, bevor sie auf den geschmolzenen Lottiegel trifft, was zu Spritzern des heißen Lots führen kann.

Wellenlöten

Die Zugabe von Flussmittel zur unteren Oberfläche der PWB kann entweder durch einen Fluxer erfolgen, der sich innerhalb der Wellenlöteinheit befindet, oder durch eine eigenständige Einheit am Eingang der Wellenlöteinheit. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung einer standardmäßigen Wellenlöteinheit mit innenliegendem Fluxer. Jede Konfiguration wird verwendet, um das Flussmittel auf die PWB aufzuschäumen oder zu sprühen.

Abbildung 2. Schematische Darstellung der Wellenlöteinheit

Vorheizen

Die Flussmittelträger müssen vor dem Löten verdampft werden. Dies wird erreicht, indem Hochtemperatur-Vorwärmer verwendet werden, um die flüssigen Komponenten auszutreiben. Es werden zwei Grundtypen von Vorwärmern verwendet: strahlend (heißer Stab) und volumetrisch (heiße Luft). Die Heizstrahler sind in den Vereinigten Staaten üblich und bieten die Möglichkeit der Entzündung von überschüssigem Flussmittel oder Lösungsmittel oder der Zersetzung einer PWB, sollte sie unter dem Vorheizer immobilisiert werden. Auf der Fluxer-/Vorwärmerseite der Wellenlöteinheit ist eine örtliche Absaugung vorgesehen, um die während dieser Vorgänge verdunsteten Lösungsmittel-/Flussmittelmaterialien aufzufangen und abzuführen.

Lötung

Die Lotlegierung (normalerweise 63 % Zinn zu 37 % Blei) ist in einem großen Reservoir enthalten, das als das bezeichnet wird Löttopf, und wird elektrisch erhitzt, um das Lot in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Die Heizungen umfassen eine leistungsstarke Massenheizung zum anfänglichen Schmelzen und eine kleinere geregelte Wärmezufuhr zum thermostatischen Steuern der Temperatur.

Erfolgreiches Löten auf Platinenebene erfordert, dass das Design des Löttiegels und der Umwälzpumpensysteme kontinuierlich eine beständige „Welle“ an frischem Lot liefert. Beim Löten wird das reine Lot mit oxidierten Blei-Zinn-Verbindungen, metallischen Verunreinigungen und Flussmittelzersetzungsprodukten verunreinigt. Diese Schlacke bildet sich auf der Oberfläche des geschmolzenen Lötmittels, und je mehr Krätze gebildet wird, desto größer ist die Tendenz zur zusätzlichen Bildung. Krätze ist schädlich für den Lötprozess und die Lötwelle. Wenn sich genug im Topf bildet, kann es in die Umwälzpumpe gezogen werden und Laufradabrieb verursachen. Bediener des Wellenlötens müssen Schlacken entfernen die Welle routinemäßig. Bei diesem Verfahren filtert der Bediener die verfestigte Krätze aus dem geschmolzenen Lötmittel und sammelt die Rückstände zur Rückgewinnung/Wiederverwertung. Der Vorgang des Entkrätzens beinhaltet, dass der Bediener physisch die hintere Zugangstür (typischerweise eine Golfflügelkonfiguration) neben dem Löttiegel öffnet und die heiße Krätze manuell herausschöpft. Während dieses Vorgangs werden sichtbare Emissionen aus dem Topf freigesetzt, die Augen, Nase und Rachen des Bedieners stark reizen. Der Bediener muss Thermohandschuhe, eine Schürze, eine Schutzbrille und einen Gesichtsschutz sowie einen Atemschutz (für Blei-/Zinnpartikel, korrosive Gase (HCl) und aliphatische Aldehyde (Formaldehyd)) tragen. Aus dem Inneren der Wellenlöteinheit ist eine örtliche Absaugung vorgesehen, aber der Löttiegel wird mechanisch aus dem Hauptschrank herausgezogen, um dem Bediener einen direkten Zugang zu beiden Seiten des heißen Tiegels zu ermöglichen. Nach dem Herausziehen wird der im Schrank montierte örtliche Abluftkanal für die Entfernung der freigesetzten Materialien unwirksam. Die wichtigsten Gesundheits- und Sicherheitsgefahren sind: thermische Verbrennungen durch heißes Lötmittel, Exposition der Atemwege durch die oben genannten Materialien, Rückenverletzungen durch den Umgang mit schweren Lötbarren und Krätzefässern und Exposition gegenüber Blei-/Zinnlotrückständen/Feinpartikeln während Wartungsarbeiten.

Während des eigentlichen Lötprozesses sind die Zugangstüren geschlossen und das Innere der Wellenlötanlage steht aufgrund der lokalen Absaugung auf der Flussmittel- und Lottopfseite der Welle unter Unterdruck. Diese Belüftung und die Betriebstemperaturen des Löttiegels (typischerweise 302 bis 316 °C, was knapp über dem Schmelzpunkt von Lot liegt) führen zu einer minimalen Bildung von Bleidämpfen. Die Hauptbelastung durch Blei-/Zinn-Partikel erfolgt während der Entkrätzungs- und Gerätewartungsarbeiten, vom Rühren der Krätze im Topf, der Übertragung in den Rückgewinnungsbehälter und der Reinigung von Lötrückständen. Feine Blei-/Zinnpartikel werden während des Entkrätzungsvorgangs gebildet und können in den Arbeitsraum und die Atemzone des Bedieners des Schwalllötens freigesetzt werden. Es wurden verschiedene technische Kontrollstrategien entwickelt, um diese potenzielle Exposition gegenüber Bleipartikeln zu minimieren, einschließlich des Einbaus einer lokalen Absaugung in das Rückgewinnungsgefäß (siehe Abbildung 3), der Verwendung von HEPA-Saugern zur Rückstandsreinigung und flexibler Abluftkanäle mit Gelenkarmen zur Positionierung Belüftung am Hot Pot während der Entkrätzung. Der Einsatz von Besen oder Bürsten zum Aufkehren von Lötrückständen ist zu untersagen. Strenge Haushalts- und persönliche Hygienepraktiken müssen ebenfalls erforderlich sein. Während der Wartungsarbeiten an der Wellenlötanlage (die auf wöchentlicher, monatlicher, vierteljährlicher und jährlicher Basis durchgeführt werden) werden verschiedene Komponenten des Hot Pots entweder innerhalb der Anlage gereinigt oder entfernt und in einer lokal abgesaugten Haube gereinigt. Diese Reinigungsvorgänge können physisches Abkratzen oder mechanisches Reinigen (unter Verwendung einer elektrischen Bohrmaschine und eines Drahtbürstenaufsatzes) der Lötmittelpumpe und der Leitbleche umfassen. Während des mechanischen Reinigungsprozesses werden große Mengen an Bleipartikeln erzeugt, und der Prozess sollte in einem lokal abgesaugten Gehäuse durchgeführt werden.

Abbildung 3. Krätzewagen mit Vakuumabdeckung

Inspektion, Nachbesserung und Prüfung

Visuelle Inspektion und Ausbesserungsfunktionen werden nach dem Schwalllöten durchgeführt und umfassen die Verwendung von Vergrößerungslinsen/Arbeitsleuchten zur Feininspektion und Ausbesserung von Unvollkommenheiten. Die Ausbesserungsfunktion kann die Verwendung von a umfassen Lötzinn Handlötkolben und Kolophoniumkernlot oder Pinseln mit einer kleinen Menge flüssigem Flussmittel und Blei-/Zinndrahtlot. Bei den sichtbaren Dämpfen des Stablötens handelt es sich um Abbauprodukte des Flussmittels. Kleine Mengen an Blei-/Zinn-Lötperlen, die nicht an der Lötstelle haften, können ein Problem für die Haushaltsführung und die persönliche Hygiene darstellen. Es sollte entweder ein Ventilator neben der Arbeitsstation zur allgemeinen Verdünnungsbelüftung weg von der Atemzone des Bedieners oder ein ausgeklügelteres Rauchabzugssystem vorgesehen werden, das die Abbauprodukte an der Spitze des Lötkolbens oder neben dem Betrieb auffängt. Die Dämpfe werden dann zu einem Luftwäscher-Abgassystem geleitet, das eine HEPA-Filterung für Partikel und eine Aktivkohlegasadsorption für die aliphatischen Aldehyde und Salzsäuregase enthält. Die Wirksamkeit dieser Lötabsaugsysteme hängt stark von den Erfassungsgeschwindigkeiten, der Nähe zum Ort der Rauchentwicklung und dem Fehlen von Querzügen an der Arbeitsfläche ab. Die elektrische Prüfung der fertigen Leiterplatte erfordert spezielle Prüfgeräte und Software.

Nacharbeiten und Reparieren

Basierend auf den Ergebnissen des Platinentests werden defekte Platinen auf spezifische Komponentenausfälle bewertet und ersetzt. Bei dieser Nachbearbeitung der Platinen kann es sich um Stablöten handeln. Wenn Hauptkomponenten auf der Leiterplatte wie der Mikroprozessor ausgetauscht werden müssen, a Löttiegel nacharbeiten wird verwendet, um den Teil der Platine, der die defekte Komponente oder Verbindung aufnimmt, in einen kleinen Löttiegel einzutauchen, die Komponente zu entfernen und dann eine neue funktionale Komponente wieder auf die Platine einzusetzen. Wenn die Komponente kleiner oder leichter zu entfernen ist, an Luftvakuum System, das Heißluft zum Erhitzen der Lötstelle und Vakuum zum Entfernen des Lots verwendet. Der Rework-Löttopf ist in einem lokal entlüfteten Gehäuse untergebracht, das eine ausreichende Austrittsgeschwindigkeit bereitstellt, um die Zersetzungsprodukte des Flussmittels einzufangen, die gebildet werden, wenn das flüssige Lötmittel auf die Platine gebürstet und der Lötkontakt hergestellt wird. Dieser Topf bildet auch Krätze und erfordert (in einem viel kleineren Maßstab) Ausrüstung und Verfahren zum Entfernen von Schlacke. Das Luft-Vakuum-System muss nicht in einem Gehäuse untergebracht werden, aber das entfernte Blei-/Zinn-Lot muss als gefährlicher Abfall behandelt und wiedergewonnen/recycelt werden.

Support-Operationen – Schablonenreinigung

Der erste Schritt im PCB-Montageprozess umfasste die Verwendung einer Schablone zum Bereitstellen des Musters von Verbindungsstellen für die durchzuquetschende Blei/Zinn-Lötpaste. Typischerweise beginnen sich die Öffnungen der Schablone zu verstopfen und die Blei-/Zinn-Lötpastenrückstände müssen von Schicht zu Schicht entfernt werden. Am Siebdrucker wird normalerweise eine Vorreinigung durchgeführt, um grobe Verunreinigungen auf der Platte zu erfassen, indem die Plattenoberfläche mit einer verdünnten Alkoholmischung und Einwegtüchern abgewischt wird. Zur vollständigen Entfernung der verbleibenden Rückstände ist eine Nassreinigung erforderlich. In einem System ähnlich einer großen Spülmaschine wird heißes Wasser (57°C) und eine chemische Lösung aus verdünnten aliphatischen Aminen (Monoethanolamin) verwendet, um die Lotpaste chemisch von der Schablone zu entfernen. Signifikante Mengen an Blei/Zinn-Lot werden von der Platine abgewaschen und entweder in der Waschkammer oder in Lösung im Abwasser abgelagert. Dieses Abwasser erfordert eine Filtration oder chemische Entfernung von Blei und eine pH-Einstellung für die korrosiven aliphatischen Amine (unter Verwendung von Salzsäure). Neuere Schablonenreiniger mit geschlossenem System verwenden die gleiche Waschlösung, bis sie verbraucht ist. Die Lösung wird in eine Destillationseinheit überführt und die flüchtigen Bestandteile abdestilliert, bis ein halbflüssiger Rückstand entsteht. Dieser Rückstand wird dann als mit Blei/Zinn kontaminierter gefährlicher Abfall behandelt.

Computermontageprozess

Sobald die endgültige PCB montiert ist, wird sie zum Einbau in das endgültige Computerprodukt an den Systemmontagebetrieb übergeben. Dieser Vorgang ist typischerweise sehr arbeitsintensiv, da die zusammenzubauenden Einzelteile den einzelnen Arbeitsstationen auf Bereitstellungswagen entlang der mechanisierten Montagelinie zugeführt werden. Die größten Gefahren für Gesundheit und Sicherheit beziehen sich auf die Materialbewegung und -bereitstellung (Gabelstapler, manuelles Heben), ergonomische Auswirkungen des Montageprozesses (Bewegungsbereich, erforderliche Einsteckkraft zum „Setzen“ von Komponenten, Installation von Schrauben und Verbindern) und die Endverpackung , Schrumpffolie und Versand. Ein typischer Computermontageprozess umfasst:

• Fahrgestell-/Koffervorbereitung

• PCB (Mutter- und Tochterplatine) einfügen

• Einsetzen der primären Komponente (Diskettenlaufwerk, Festplatte, Netzteil, CD-ROM-Laufwerk).

• Displayeinheit (nur tragbare Geräte)

• Einsetzen von Maus und Tastatur (nur tragbare Geräte)

• Verkabelung, Anschlüsse und Lautsprecher

• Montage der oberen Abdeckung

• Software-Download

• Test

• überarbeiten

• Akkuladung (nur tragbare Geräte) und Verpackung

• Schrumpfverpackung und Versand.

Die einzigen Chemikalien, die im Montageprozess verwendet werden dürfen, betreffen die Endreinigung des Computergehäuses oder Monitors. Typischerweise wird eine verdünnte Lösung aus Isopropylalkohol und Wasser oder eine handelsübliche Mischung von Reinigern (z. B. Simple Green – eine verdünnte Lösung aus Butylcellosolve und Wasser) verwendet.

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