Kleben wird immer wichtiger für Elektronikfertigung und EMS

Autor / Redakteur: Rainer R. Schoppe * / Johann Wiesböck

Kleben ist keine Kunst, sondern fachliches Können. Unter diesem Motto hat der EMS-Dienstleister bebro electronic für sich das Kleben zur Elektronikfertigung erschlossen.

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Bild 1: Ein seit Jahrzehnten etablierter Prozess: Die eingeklebte Scheibe hat einen entscheidenden Anteil an der Gesamtsteifigkeit eines Fahrzeugs
Bild 1: Ein seit Jahrzehnten etablierter Prozess: Die eingeklebte Scheibe hat einen entscheidenden Anteil an der Gesamtsteifigkeit eines Fahrzeugs
(Bild: Ross Woodhall)

Eher sparsam ging die EMS-Branche bislang mit der Fügetechnik des Klebens um. Bislang werden Klebstoffe vornehmlich verwendet, um punktuell Bauteile auf Leiterplatten zu fixieren. Zu gering sind noch die Erfahrungen insbesondere bei mittelständischen Unternehmen, was die Anwendungsdimensionen, die Klebstoffarten und -eignung sowie die Langzeitwirkung der Klebverbindungen betreffen.

Inzwischen werden Fertiger von Hightech-Elektronik jedoch getrieben, sich künftig auf fachgerechtes Kleben zu verstehen – einerseits, um die zunehmend kompaktere Bauweise mit verschiedenen Baumaterialien zu erfüllen, da es sich mit dieser Fügetechnik kompakt und platzsparend fertigen lässt. Zum anderen eignet sich dieses Verfahren, Kundenanforderungen an die Fertigung in erweiterter Form zu bedienen und neue Geschäftsfelder zu erschließen.

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Der nahe Stuttgart ansässige EMS-Dienstleister bebro electronic hat sich zum Ziel gesetzt, nicht nur Leiterplatten konventionell zu bestücken, sondern mit der Klebtechnik mehr daraus zu machen. Auch hier wie andernorts ist man zu der Erkenntnis gelangt, dass Kleben keine Kunst, sondern fachliches Können ist, das auf mannigfaltigem Wissen und viel Erfahrung beruht.

Kleben ist die Technik des 21. Jahrhunderts

Konstrukteure standen seit jeher vor der Herausforderung, Materialien miteinander zu verbinden. So setzte man bei der Errichtung des Eiffelturms 1889 auf Nieten, um aus vielen Einzelteilen das stählerne Wahrzeichen der Stadt an der Seine standhaft zu machen. Auch 1909 bis 1911, beim Bau der „Titanic“, waren es diese Bolzen, die das Schiff zusammenhielten.

Für das erste, Anfang des 20. Jahrhunderts in größerer Serie gebaute Automobil, dem Ford T, kamen bei der damals modernen Mischbauweise vernietete U-Profile und ein Holzgerüst mit Stahlkarosserie zum Einsatz. Später, bei Brücken und anderen Bauwerken stählerner Art, wurde zumeist, nach verschiedenen Verfahren, geschweißt.

In der Elektronikbranche schließlich, etliche Jahrzehnte später, wurden und werden Bauteile hauptsächlich verlötet, mittels Drahtbonden kontaktiert oder aber miteinander verschraubt.

„Jede Technik hat ihre Zeit“, sagt Peter Sommer, Vertriebsmitarbeiter bei bebro electronic in Frickenhausen. „Klebstoffe basierende Verbindungsmethoden werden sich in der Hightech-Elektronik mittel- bis langfristig durchsetzen. Das gilt nicht nur für die Fertigung von Leiterplatten, sondern ins-besondere, wenn sich ein Unternehmen auch mit der Gehäusetechnik befasst.“

Die strategischen Überlegungen bei der bebro electronic gehen dahin, mit gleichzeitiger Fertigung der Gehäuse dem Kunden die kostentreibende Inhouse-Montage der Elektronik abzunehmen.

Kleben ist ideal bei Verbundwerkstoffen

„Kundenprojekte stellen uns meist vor die Herausforderung, zwei oder mehrere unterschiedliche Werkstoffkomponenten miteinander verbinden zu müssen und dabei hohe Qualitätsanforderungen zu erfüllen“, merkt Peter Sommer an. Klassische Fügetechniken kommen da nicht in Frage, weil sich mit ihnen nur gleichartige Stoffe verbinden lassen.

Bei modernen Verbundwerkstoffen, wie sie im 21. Jahrhundert üblich sind, funktioniert nur das Kleben. Ein Notebook besteht aus Glas, Sensoren und einem Metallrahmen, auch die Frontscheibe eines Schnellzuges oder die Rotorblätter eines Helikopters sind geklebt.

Diese Art von Leichtbau fordert, bei einem geringen Gewicht eine hohe Stabilität und Sicherheit zu garantieren. Unschätzbarer Vorteil der Klebtechnik ist zudem die damit verbundene Eigenschaft, gleichzeitig korrosionspräventiv zu wirken.

So begann man bei der bebro electronic, sich mit dem Klebverfahren intensiver auseinanderzusetzen. Das eigentlich Komplizierte sei nach Aussage Sommers nicht das Kleben an sich. Es sei vielmehr die Prozessfindung – sicherzustellen, dass die Auswahl der optimalen Klebstoffkomponenten mediengerecht erfolgt und die Oberflächen für die Adhäsion, die Haftfähigkeit vorbereitet sind. Auch physikalische Gegebenheiten wie Temperatur, Elektrostatik oder Luftfeuchtigkeit haben entscheidenden Einfluss auf das Klebeverhalten.

Das Kleben von anderen Branchen lernen

Wie man Klebstoffe unter mannigfaltigsten Bedingungen optimal einsetzt, weiß keiner besser, als jene Unternehmen, die sich auf Forschung und Entwicklung, Herstellung und Anwendung sehr unterschiedlicher Komponenten verstehen. Als Lieferant derartiger Produkte, unter anderem zum Kleben und Dichten für die Bau- und Fahrzeugindustrie, wirkt die Sika-Gruppe weltweit.

Die Aufgaben im Automotive-Bereich, insbesondere zur Elektroniksteuerung, für die man inzwischen Jahrzehnte an Erfahrung verbucht, sind in mancherlei Hinsicht mit jenen der EMS-Branche vergleichbar. „In aller Regel hat man es bei Produkten wie Steuergeräten, Sensoren oder dem Elektronikmanagement im Motorraum mit sehr unterschiedlichen Werkstoffen zu tun. Häufig kommen noch Gehäuseteile hinzu, die gefügt werden müssen“, schildert Dr. Benjamin Kraemer, Marketing Manager bei der in Hamburg ansässigen Sika Automotive GmbH.

Die Anforderungen, die an die Prozessfindung beim Kleben gestellt werden, sind nach seinen Erkenntnissen recht hoch. So führt unter anderem die Vielzahl verschiedener Kunststoffarten dazu, nicht einfach auf eine Handvoll Standardkleber zurückgreifen zu können.

„Unsere Kunden bestehen verständlicherweise auf langzeitbeständige Klebverbindungen. Physikalische Härtetests mit Ergebnissen, die eine Langzeitstabilität oft weit über den Lebenszyklus eines Klebstoffes ausweisen, führen bei uns daher zum Einsatz sehr unterschiedlicher Klebstoffe, die anwendungsbezogen evaluiert und eingesetzt werden“, sagt Kraemer.

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Hintergrund zur Sika-Gruppe

Sika ist ein Unternehmen der Spezialiätenchemie, führend in der Entwicklung und Produktion von Systemen und Produkten zum Kleben, Dichten, Dämpfen, Verstärken und Schützen für die Bau- und Fahrzeugindustrie. Die Sika-Gruppe ist weltweit präsent mit Tochtergesellschaften in 97 Ländern und betreibt dazu 170 Fabriken. Ihre mehr als 17.000 Mitarbeiter haben 2015 einen Jahresumsatz von 5,49 Milliarden Schweizer Franken erzielt.

In Deutschland ist Sika mit der Sika Deutschland GmbH und 1.500 Betriebsangehörigen vertreten. Das Unternehmen hat es sich zur Aufgabe gemacht, Wege und Lösungen aufzuzeigen, die nachhaltiges Bauen er-möglichen, insbesondere im Hinblick auf Wassermanagement, Energieeinsparung und Klimaschutz.

Jüngstes und bekanntestes Bauwerk, für das Sika Flachdachabdichtungen wie auch Kleb- und Dichtstoffe für die Glasfassade lieferte, ist das neue Hamburger Wahrzeichen, die „Elbphilharmonie“. Seit 2010 ist die Sika Deutschland GmbH Mitglied der Deutschgen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB).

Zwei Klebstoffarten kommen häufig zum Einsatz

Grundsätzlich unterscheidet man bei der Anwendung im Elektronikbereich zwei Arten von Klebstoffen, die hier zum Einsatz gelangen, so der promovierte Wirtschafts- und Maschinenbauingenieur. Zur ersten Gruppe werden demnach vorwiegend Polyurethane in Form von Zwei-Komponenten-Systemklebern gezählt.

Sie zeichnen sich vorteilhaft durch kurze Reaktionszeiten aus, wenn in großen Chargen 100.000 bis zu einer Million Teile vom Band gehen. 2K-Systeme, wie man sie in Kurzform bezeichnet, reagieren hier den Anforderungen des Anwenders adäquat. Die Verarbeitungszeit reicht von wenigen Sekunden bis hin zu mehreren Stunden.

Durch Modifikation der Reaktionspartner und über Wärme wird dabei gezielt auf den jeweiligen Klebeprozess Einfluss genommen. Sika setzt diese Möglichkeiten unter anderem für Vergussteile in der Elektronik ein, um Bauteile wasser-und mediendicht zu fertigen So halten sie mühelos einer Belastung von -30º C bis +120º C stand.

Der zweiten Gruppe werden Silikone zugeordnet. Sie zeichnen sich durch besonders hohe Belastbarkeit aus, auch bei Temperaturen über +200º C. Die klassische Variante härtet bei Raumtemperatur aus und zeigt sich, dank der synthetischen Herstellung, mit einer hohen Witterungs- und UV-Beständigkeit. Silikonklebstoffe haften, mit einigen Einschränkungen auf Edelstahl, Chrom, Aluminium, PVC, Glas und Keramik.

Ihre Kriechneigung wird sowohl als Fluch gesehen wie als Segen gepriesen: so wird zum einen eine ausreichende Benetzung gewährleistet. Andererseits kann es auch nachträglich zu Benetzungsstörungen bei Verwendung anderer Beschichtungen kommen. Daher sind besondere Sicherheitsvorkehrungen bei der Verarbeitung zu treffen, die getrennt von anderen Fertigungsprozessen geschehen sollte.

Klebeverbindungen sind leicht, stabil und wasserfest

Heute entwickelt und produziert bebro electronic fertige, kundenindividuelle Systeme für Medizintechnik und Automotive. Dass dabei das Kleben gegenüber dem gängigen Schrauben deutliche Vorteile bringt, erklärt Peter Sommer an zwei praktischen Beispielen aus der bebro-Fertigung.

So habe ein Ladeadapter für Hybridfahrzeuge die Anforderung, besonders stabil und wasserdicht zu sein. Es könne vorkommen, dass der Autofahrer den Stecker aus seinem Wagen zieht und beim Anfahren über den Adapterkasten rollt. Diese Belastung muss das Gehäuse aushalten. Eine derartige Steifigkeit ist mit einer Schraubverbindung, die grundsätzlich nur eine punktuelle Befestigung darstellt, nicht zu erreichen.

Zudem müsse sichergestellt sein, dass kein Wasser in das Gehäuse eindringt – selbst dann nicht, wenn dieses über längere Zeit in einer Pfütze liege. Derartige sicherheitsrelevante Kriterien lassen sich, so Sommer, mittels Schrauben nur unter sehr großem Aufwand bewerkstelligen.

Wasserfestigkeit stellt auch und gerade für ein manuell gesteuertes Bediengerät im Operationsraum ein zu erfüllendes Qualitätskriterium dar. „Solche Geräte müssen absolut dicht sein, da sie im OP desinfiziert werden und komplett in einer entsprechenden Lösung liegen können“, erklärt Sommer. Vertiefungen für Schraubenköpfe seien eine zusätzliche Keimquelle und daher nicht erwünscht.

Auch Fugen, wie sie bei Clipverbindungen an den Rändern entstehen, kämen aus Hygienegründen nicht in Frage. Die Gehäuse dieser Geräte müssen zudem schlagfest sein, um auch einen Sturz aus einem Meter Höhe bei voller Funktionsfähigkeit zu überstehen.

„Das Massengeschäft im Gehäusebau wird mit Kunststoff-Spritzguss betrieben – leicht und äußerst kostengünstig“, sagt Peter Sommer, der den großen Vorteil des Klebens darin sieht, dass eine großflächige Verbindung entsteht und die dünnwandigen Halbschalen für hochempfindliche Sensorik sehr starr und mit ungeahnter Festigkeit verbunden werden: „Ein wahrer Segen für die Sicherheit der integrierten Elektronik, insbesondere wenn der Fertigung die Fehlerquote Null ins Buch geschrieben wird.“

Aktuell geht die bebro electronic einen Entwicklungsauftrag für Messgeräte an, die zumeist in rauer Umgebung ihren Dienst versehen müssen. „Relativ früh war uns klar, dass wir das Gerät kleben werden“, sagt Sommer, „es muss dicht sein, ohne jegliche Fuge, für den Anwender absolut geschützt.“

Kleberisiken ausloten und testen, was machbar ist

Alles hat seine Grenzen. „Risiken beim Kleben gibt es immer“, ist Uwe Maurischat vom Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung in Bremen überzeugt und benennt das Hauptproblem: „Sie können nicht zu 100 Prozent prüfen, ob die Klebung intakt ist, ohne diese zu zerstören.“ Herausforderungen, einen Klebeprozess sicher zu gestalten, sieht der Wissenschaftler unter anderem in der Oberflächensauberkeit. Adhäsion baue sich in Grenzflächen auf. Oder eben auch nicht. Beispielsweise, wenn diese durch flüchtige Silikone verunreinigt sind. In solchen Fällen könne der Klebstoff die Oberfläche nicht wie erforderlich benetzen und damit nicht richtig binden.

Ein verklebtes Bauteil könne so direkt wieder abfallen, erklärt Maurischat. Andere Kontaminationen würden sich erst in der Lebensdauer auswirken. Diese seien bereits beim Kleben in der Grenzschicht vorhanden, zerstören die Adhäsion aber erst im Nachhinein. Die Folge: ein Bauteil, das fehlerfrei getestet wurde, versagt später.

Ein Klebstoff ist ein Polymer und als solcher ein organischer Stoff, der physikalischen Grenzen unterliege, führt der Wissenschaftler aus. Bei extremen Temperaturen findet ein thermischer Abbau des Polymers statt. Diese Temperaturen lägen jedoch in Bereichen, in denen rein theoretisch jede Elektronik bereits defekt wäre.

Dass Hitze oder Kälte keine wirklichen Risiken darstellen, erklärt der Forscher auch an einem Beispiel aus der Automobilindustrie: In den Spezifikationen der Hersteller würden Temperaturanforderungen von minus 40 bis plus 150 Grad Celsius formuliert. Für elektronische Bauteile seien derartige Temperaturen grenzwertig. Für den Klebstoff sei das kein Problem, so Maurischat.

Mittlerweile gebe es Kunst- und Verbundstoffe, die außerordentlich schwer zu verkleben seien, gibt Peter Sommer die Erfahrungen der bebro electronic wider. Häufig sei es erforderlich, die Oberflächenspannung in einen Bereich zu bringen, die das Kleben erst zulasse. Auch für das Hamburger Sika-Werk, so Benjamin Kraemer, habe sich in der Automotive-Elektronik gezeigt, dass der Adhäsion durch eine gezielte mediengerechte Oberflächenvorbehandlung beizukommen sei. Man geht in der Regel dazu über, bei niedrigpolaren Oberflächen eine Plasmavorbehandlung vorzunehmen.

Anders als beim mechanischen Aufrauen findet hier ein physikalischer Prozess an der Oberfläche statt: Das Oberflächen-Plasma, ein Teilchengemisch auf atomar-molekularer Ebene in Form von ionisierter Luft, “aktiviert“ die zu klebende Oberfläche. Die Polarität der Oberfläche wird so erhöht, die Bereitschaft zur Adhäsion auf der gesamten Fläche intensiviert. Unter Umständen kann hiermit zudem eine reinigende Wirkung einhergehen. Lösungen die gefunden werden, unterliegen, kundenseitig gefordert, höchsten Qualitätsanforderungen.

Klebeverbindungen auf Herz und Nieren testen

Die Sika-Gruppe prüft ihre so entwickelten Klebeverbindungen auf Herz und Nieren, auf sehr hohem Niveau. Meist geschieht dies mit extensiven Klima-Wechseltests. Da variieren Zyklen bei plus 90 Grad Celsius und nahe der absoluten Luftfeuchtigkeitsgrenze mit trockener Kälte bis minus 40 Grad Celsius - über mehrere Tage, bis zu 1.000 Stunden lang.

Bei Projekten der Elektronikindustrie nimmt man bei Sika noch einige spezielle Tests hinzu. So werden Bauteile schon mal auf 120 Grad Celsius gebracht und anschließend in Eiswasser schockgekühlt. Die Klebeverbindungen erfahren so ihre grenzwertige Belastung, mit dem Ziel, die Freiprüfung für diese eine auf ein bestimmtes Material gemünzte Klebeverbindung zu erhalten.

„Geht es in Materialvarianten, ist die Testkomplexität erneut angesagt“, betont Benjamin Kraemer, „denn Trägermaterialien reagieren sehr unterschiedlich. Es läuft bisweilen auf sehr individuelle Klebelösungen hinaus, will man konstant zugesicherte Ergebnisse erzielen.

Nach der Devise „Was gut klebt, währt ewig“ mag man sich, trotz aller Härtetests, auch bei den Haftmittelherstellern zur Langzeitstabilität nicht pauschal festlegen. Künstliche Alterungstest können letztendlich nur Prognosen abbilden, wenngleich auf sehr hohem Niveau. Dennoch: man geht auf Nummer Sicher.

„Bei den Tests, die dazu durchgeführt werden, wird die Wirklichkeit deutlich überzeichnet. Man kann daher davon ausgehen, dass Bauteilverbindungen nach bestandener Dauerbelastung den Lebenszyklus eines Bauteils in aller Regel mehr als überstehen“, äußert sich Kraemer. Gerne zitiert er in diesem Zusammenhang das Beispiel aus dem Hause Audi, wonach der „A8“ das erste Serienfahrzeug war, dessen Karosserie im Klebverfahren aus Aluminium gefertigt wurde.

Nach mehr als zehn Jahren im Straßenverkehr, kaufte der Autohersteller stichprobenartig Fahrzeuge auf und fand heraus, dass die Klebeverbindungen kaum gealtert waren. Das Resultat fiel erheblich geringer aus, als es damalige Testergebnisse vor dem Fahrzeugbau auswiesen. „Folglich“, so Kraemer, „kam man zu dem Schluss, dass weniger die wechselnde thermische Belastung als die thermisch-mechanischen Eigenschaften für die Alterung verantwortlich waren.

Thermische Belastungen machen allerdings Klebeverbindungen an Stellen zu schaffen, die häufig oder gar konstant der UV-Strahlung ausgesetzt sind. Sind die darin enthaltenen UV-Stabilisatoren, so genannte Absorber, nicht vorhanden, beginnt der Klebstoff nach und nach zu verspröden. Auch die Farbgebung der Klebstoffe hat Auswirkung auf den Zerfallsprozess.

Insbesondere transparente Kleber sind anfälliger, ihr Lebenszyklus kürzer als dunkel eingefärbte. Schutz davor gewähren neben den Stabilisatoren auch noch andere Maßnahmen. Bei Mobiltelefonen beispielsweise, die häufig der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, sind Gläser mit einem UV-Schutz ausgestattet. Geklebte Ränder werden zudem noch lackiert, um so bestmöglichen Schutz vor der UV-Einstrahlung anzugehen.

Klebstoffverbindungen können, in Bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit und die Leitfähigkeit, sehr unterschiedlich ausgelegt sein. Finden sie Eingang in die Leiterplattenherstellung, ist laut Fraunhofer-Forscher Maurischat zu beachten, dass die Gesamtleitfähigkeit des Materials unterhalb derer einer Lötung liegt.

Das ergebe sich aus der Tatsache, dass Klebstoffe als Polymer lediglich einen Anteil von bis zu 70 Prozent an Leitklebstoff in der Gesamtmasse enthalten könne. Dieser Nachteil, so Maurischat, lasse sich jedoch durch Fläche und Schichtdicke ausgleichen.

Lediglich, wenn Elektronik mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit kontaktiert werden müsse, gebe es eine Grenze, die vom Klebstoff nicht überschritten werden kann, erklärt der Wissenschaftler. In einem derartigen Fall kämen weiterhin nur die klassischen Fügeverfahren in Frage.

Am Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung beschäftigt man sich in einem Forschungsverbund derweil bereits mit der Zukunft der Systemkonstruktion. Bei der sog. 3D-MID-Technologie werden herkömmliche Leiterplatten durch ein Spritzgussgehäuse ersetzt, das die Leiterstruktur bereits in sich trägt und direkt mit den Bauteilen bestückt wird.

Damit die einzelnen Bauteile während des Bestückungsprozesses beim Drehen in die nächste Ebene nicht verrutschen oder abfallen, haben die Forscher im vergangenen Jahr einen entsprechenden Klebstoff und eine neue Klebtechnologie entwickelt.

„Ein sehr spannendes Thema, welches noch in den Kinderschuhen steckt“, sagt Uwe Maurischat und ergänzt: „Es gibt erste größere Serien an Bauteilen, die im Bereich Automotive eingesetzt wurden. Die Massenproduktion ist hier letztlich aber noch nicht gelungen.“

Klebstoffallianz für mittelständische EMS-Provider

Das Geschäft mit der Kunst zu kleben, wird indes in EMS-Kreisen nicht mehr nur diskutiert. Unternehmen, die es gewohnt sind über den fachlichen Tellerrand hinauszuschauen, denken schnell über die Machbarkeit in höheren Losgrößen nach.

Dass es mit insularem Denken einzelner Auftragsfertiger nicht getan ist, bestätigt auch Benjamin Krämer, mit Verweis auf die notwendigen Freiprüfungen für die angestrebten Klebeverbindungen: „Einerseits können wir die Prüfungen stets nur für Bauteile und -reihen festmachen, die vom Kunden gestellt werden. Zum anderen sind diese Verfahren für Materialvarianten extrem zeitaufwändig und kostentreibend.“

Man geht daher bei diesen Prüfverfahren in der Regel nach Produktgattungen mit einer eingegrenzten Auswahl von Kunststofftypen vor, wie beispielsweise für den Radarsensor eines Fahrzeugs. So können damit gleich mehrere Autohersteller bedient werden. Die Entwicklungskosten halten sich dementsprechend für jeden Auftraggeber in bezahlbaren Grenzen.

Nach Kraemers Auffassung sind solche Vorhaben von klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU), wie sie auch die EMS-Branche kennzeichnen, kaum zu stemmen und er meint: „Es wäre ein guter Ansatz, wenn mehrere EMS-Fertiger sich mit ihren Klebstoffambitionen zusammenschlössen, mit dem Ziel, hier in konzertierter Aktion voranzukommen. Wer das alleine angeht, gerät zeitlich und finanziell schnell ins Hintertreffen, will man alle von der Normgebung und Industrie geforderten Voraussetzungen und Rahmenparameter erfüllen.“

„Wer als EMS-Fertiger in seiner Leistungsbreite mithalten will, muss jetzt mit konkreten Plänen beginnen. Diese Technologie braucht in absehbarer Zeit in jeder Prozesskette ihren festen Platz. Die Zeiten des Eifelturms“, so Peter Sommer von der bebro electronic, „seien definitiv vorbei.“

* Rainer R. Schoppe ist Fachjournalist für Umwelt, Energie und Innovationstechnologie.

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