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Verschmutze Leiterplatten richtig reinigen

| Autor / Redakteur: Emily Peck * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Leiterplatten sind einer Vielzahl unterschiedlicher Verunreinigungen ausgesetzt. Bei der Reinigung ist zu beachten, dass die verschiedenen Kontaminationen auch unterschiedliche Reinigungsmethoden erfordern.

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Weiße Rückstände: Anorganische Verunreinigungen erscheinen manchmal auf PCBAs als weiße Rückstände, die sich häufig äußerst schwer entfernen lassen.
Weiße Rückstände: Anorganische Verunreinigungen erscheinen manchmal auf PCBAs als weiße Rückstände, die sich häufig äußerst schwer entfernen lassen.
(Bild: JohnDWilliams)

Moderne elektronische Komponenten sind kleiner und komplexer als je zuvor. Hersteller bestücken Leiterplatten auf engstem Raum mit Mikrokomponenten wie CSP-, Flip-Chip-, Micro-BGA- und QFN-Gehäuse. Komponenten mit niedrigen Spalthöhen wie MOSFETs und spielfreie Komponenten sind mittlerweile Routine. Und so wird es zunehmen schwieriger Verunreinigungen von den Leiterplatten zu entfernen.

Verschmutzte Leiterplatten sind jedoch anfällig für viele Arten von Problemen, einschließlich parasitärer Leckage, elektrochemischer Migration, Delamination, Kurzschluss und Dendritenwachstum. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Art von Kontaminationen auf Leiterplatten zu finden sind und wie diese am besten entfernt werden können.

Vier Arten der Leiterplattenkontamination

Abhängig von den Herstellungs-, Lagerungs-, Versand- und Handhabungsmethoden, die zur Herstellung einer fertigen Leiterplatte verwendet werden, kann die Leiterplatte einer Vielzahl unterschiedlicher Verunreinigungen ausgesetzt sein. Nicht ausgehärtete Lötpasten, Fingerabdrucköle, Markierungsfarben, Klebstoffe und Schutzlacke sowie andere ionische Substanzen (Rückstände mit leitenden Eigenschaften), organische Stoffe und Partikel müssen bis in den Mikrometer- oder Submikrometerbereich entfernt werden, damit die Platten einwandfrei funktionieren.

Leiterplattenkontaminationen werden in vier Kategorien eingeteilt: organische Stoffe, anorganische Stoffe, Wasser und unlösliche Partikel. Jede dieser Verunreinigungen erfordert eine andere Reinigungsmethode.

Organische Verunreinigungen umfassen Kolophonium-Lötpasten und -Flussmittel, die in Aktivierungsgraden wie R (Kolophonium), RA (Kolophonium aktiviert), RMA (Kolophonium mild aktiviert) und SA (synthetisch) erhältlich sind und helle, starke Lötstellen erzeugen. Die Pasten und Flussmittel sind typischerweise eine Mischung aus Lösungsmitteln, Harzen und rheologischen Additiven. Die Harze sind stark hygroskopische polare Verbindungen oder unpolare Harze. Organische Verunreinigungen können auch unpolare Öle und Fette sein. Gelöst und entfernt werden organische Verunreinigungen mit speziellen Reinigungsflüssigkeiten oder Flussmittelentfernern. Eine milde bis mittelstarke Reinigungsflüssigkeit oder ein Flussmittelentferner eignen sich am besten für organische Verunreinigungen.

Anorganische Stoffe sind in der Regel Flussmittel- und Lötpastenaktivatoren, zu denen Säuren, Basen und Halogene gehören. Anorganische Verunreinigungen entstehen durch bleifreie und nicht saubere Flussmittel und Lötpasten. Die Aktivatoren in diesen Hochtemperatur-Reflow-Flussmitteln und Lötpasten sind üblicherweise Chloride oder korrosive Salze, einschließlich Plattierungssalze. Anorganische Verunreinigungen erscheinen auf Leiterplatten manchmal als weiße Rückstände, die sich nur schwer entfernen lassen; sie erfordern normalerweise aggressivere Reinigungsflüssigkeiten. Dabei ist es wichtig, den ausgewählten Flussmittelentferner oder Reiniger vor der Verwendung zu testen, um sicherzustellen, dass die Kunststoffkomponenten der Leiterplatten nicht beschädigt werden.

Wasser ist eine Untergruppe der anorganischer Verunreinigungen und führt zu speziellen Leiterplatten-Reinigungssituationen. Einige Hersteller reinigen Leiterplatten mit Wasser und trocknen sie mit Luftmessern oder Hitze. Trotzdem kann sich in kleinen Bereichen der Platine noch Wasser ansammeln, z. B. unter eng anliegenden Leiterplatten-Bauteilen. Dieses Wasser lässt sich durch Batch-Trocknung in einem mit einem Wasserabscheider ausgestatteten Dampfentfetter entfernen.

Je nach Menge des zu entfernenden Wassers, stehen zwei Arten von Trocknungs­flüssigkeiten zur Verfügung. Die Absorptionstrocknung eignet sich am besten zum Entfernen kleiner Wassermengen. Die Trocknungsflüssigkeit ist eine Mischung aus fluoriertem Lösungsmittel und Alkohol. Es ist hydrophil, absorbiert also Wasser von den Leiterplatten und verhindert die Bildung von Wasserflecken.

Bei sehr feuchten Anwendungen ist die Verdrängungstrocknung die beste Option. Verdrängungstrocknungsflüssigkeiten enthalten ein Tensid, das Wassertröpfchen von der Oberfläche der Leiterplatten transportiert. Das verwendete Lösungsmittel ist hydrophob oder nicht mischbar und so dicht, dass es das Wasser auf den Leiterplatten verdrängt. Das Wasser schwimmt an die Oberfläche der Trocknungsflüssigkeit und kann anschließend entfernt werden.

Kleine Leiterplatte: Da die PCBAs immer kleiner und dichter werden, wird es immer schwieriger, die Kontamination von ihnen zu reinigen.
Kleine Leiterplatte: Da die PCBAs immer kleiner und dichter werden, wird es immer schwieriger, die Kontamination von ihnen zu reinigen.
(Bild: Korn V.)

Partikel sind polare Verunreinigungen, die bei Leiterplatten häufig vorkommen. Partikelkontaminationen können weder in Wasser noch in einer Reinigungsflüssigkeit gelöst werden. Die Größe der Partikel reicht von submikroskopisch bis groß genug, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. In der Regel ist die Entfernung umso schwieriger, je größer die Partikel sind. Zu den am häufigsten auf Leiterplatten vorkommenden Partikeln gehören Staub, Schmutz, Stofffasern und Metallspäne.

Partikel binden sich elektrostatisch an Leiterplattenoberflächen. Es erfordert eine polare Reinigungsflüssigkeit, um diese Bindung aufzubrechen. Eine dichte Reinigungsflüssigkeit, die leicht leitende Moleküle enthält, unterbricht die statische Bindung der Verunreinigung und verdrängt oder treibt die Partikel vom Leiterplattensubstrat.

Die Kombination aus Reinigungsflüssigkeit und mechanischer Reinigung hilft oft die Wirksamkeit der Reinigung zu verbessern. Bei der Tischreinigung hilft die mechanische Wirkung einer Bürste dabei, die Partikel von den Leiterplatten zu entfernen. In der Massenanwendung eignet sich die Verwendung eines Sprühstabs, das Ausnutzen der Siedewirkung der Reinigungsflüssigkeit oder die Vibrationen eines Ultraschallbades, um die Partikel von der Leiterplatten zu lösen.

Auswahl des passenden Reinigungsmittels

Es gibt eine Vielzahl von Leiterplattenreinigern und Flussmittelentfernern auf dem Markt, daher ist es wichtig, eines auszuwählen, das effektiv reinigt und keine Rückstände hinterlässt. Es sollte schnell trocknen, um die Reinigungszeit der Platine zu verkürzen. Um Leiterplattenschäden zu vermeiden ist ein materialverträgliches Reinigungsmittel nötig. Zudem sollte es geruchsarm und aus Gründen der Arbeitssicherheit nach Möglichkeit nicht entflammbar sein.

Auch der Preis der Reiniger oder Flussmittelentferner ist ein entscheidendes Kriterium. Wenn auf dem Labortisch Sprühdosen mit Reinigungsflüssigkeit verwenden werden, unterstütz ein kontrolliertes Abgabesystem eine schnellere und bessere Reinigung mit weniger Verschwendung, was die Gesamtkosten pro gereinigten Teil senkt.

Bei der Tischreinigung hilft die mechanische Wirkung einer Bürste, die Partikel von den PCBAs zu schrubben und zu entfernen
Bei der Tischreinigung hilft die mechanische Wirkung einer Bürste, die Partikel von den PCBAs zu schrubben und zu entfernen
(Bild: MicroCare)

Neben der Reinigungskraft ist seine Verträglichkeit mit dem zu reinigenden Substrat entscheidend. Bei Unsicherheiten über die Materialzusammensetzung der Leiterplatte, sollte die Verträglichkeit des Reinigers oder Flussmittelentferners vor einem umfassenden Einsatz an Opfer- oder Testplatten geprüft werden.

Die beste Vorgehensweise ist mit einem milden Reiniger zu beginnen und die Stärke des Reinigers nach und nach zu erhöhen, bis das gewünschte Reinigungsergebnis erzielt wird. Dabei sollten die Tests an mehr als einem Bereich der Leiterplattenbestück durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Materialverträglichkeit für alle Materialien, mit denen der Reiniger direkt oder indirekt in Kontakt kommt gegeben ist.

Führende Anbieter kritischer Reinigungslösungen verfügen über Außendiensttechniker die Anleitungen zum Testen der Reinigungsflüssigkeiten und zur Auswahl der für das Leiterplatten-Bestückmaterial und die spezifische Kontamination am besten geeigneten Reinigungsflüssigkeit liefern.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2020 (Download PDF)

Viele Unternehmen führen ihre eigenen Reinigungsversuche durch. Zudem besteht oft die Möglichkeit, die eigenen Testplatinen an die Hersteller der Reinigungsflüssigkeiten einzusenden. Diese führen im Labor Reinigungsversuche mit spezifischen Verunreinigungen durch und bewerten diese, um eine effektive Reinigung mit den geringsten Risiken für ihre Leiterplatten zu gewährleisten. Das Labor legt dem Unternehmen in der Regel einen schriftlichen Bericht mit detaillierten Empfehlungen zur besten Reinigungsflüssigkeit oder zum besten Flussmittelentferner vor. Die Reinigungsexperten können auch eine Änderung oder Aktualisierung der Reinigungsprozesse empfehlen, um sowohl die Leiterplattensauberkeit als auch die Arbeitssicherheit zu gewährleisten.

* Emily Peck ist eine leitende Chemikerin bei der MicroCare Corporation

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