“Security” fuer Leiterplatten

Conformal Coating entwickelt sich zu einem Standard-Prozess in der Leiterplattenfertigung

Protecto Conformal Coating von Rehm Thermal Systems GmbH

Als die Rehm Thermal Systems GmbH aus Blaubeuren bei Ulm auf der ‘productronica 2013’ im vergangenen November ihre neue ‘Conformal Coating-Line’ Conformal Coating vorstellte, war das Interesse der produzierenden Branche enorm. Dass der Prozess des Conformal Coating mit diesen Anlagen relativ einfach in die eigenen Produktionslinien integrierbar ist, brachte viele Firmenvertreter zum Nachdenken. Die Zahl der Anfragen in Blaubeuren zeigen: der Bedarf ist hoch.

Die Möglichkeit, elektronische Baugruppen durch Schutzlackierungen zu schützen, wird speziell in Branchen, bei deren Produkten eine fehlerfreie Funktionsweise bei starken Umwelteinflüssen essenziell ist, immer mehr nachgefragt. Viele dieser Produkte sind uns näher, als wir glauben. Manche davon schützen sogar unser Leben. In jedem Auto fährt heute komplexe Elektronik mit – und diese Sicherheitselektronik, diese sicherheitsrelevanten Baugruppen, sind in der Regel durch Schutzlackierungen vor Umwelteinflüssen isoliert. ABS und Airbag müssen immer funktionieren. Hohe Temperatur- oder Feuchtigkeitsunterschiede dürfen keine Rolle spielen. Und dasselbe Modell wird weltweit verkauft. Ganz egal, ob am Nordkap, in einem Wüstenstaat oder im Regenwald, die Sicherheitselektronik hat die Aufgabe, die Fahrzeuginsassen zu schützen – und nach 10 Jahren soll sie immer noch funktionieren.

Der Hintergrund ist ganz einfach. Durch die Temperaturunterschiede oder unterschiedliche Klimabedingungen kann sich auf den Leiterplatten im Gerät Kondenswasser absetzen und im Betrieb einen Kurzschluss verursachen, der im Zweifelsfall das Gerät zerstört – und damit eventuell lebenswichtige Funktionen außer Betrieb setzt. Ein Beispiel, das für viele steht. Sind die elektronischen Bauteile aber mit einer Schutzlackierung überzogen, spielen die genannten Umwelteinflüsse keine Rolle, die Leiterplatte ist vor der Feuchtigkeit geschützt.

Viele Hersteller wenden den selektiven Conformal Coating Prozess nur reaktiv an. Das bedeutet, erst wenn Fehler und Fehlfunktionen auftauchen, die durch äußere Einflüsse verursacht sein könnten, wird nachgebessert. Andere Branchen wenden die Möglichkeit, die Baugruppen durch Beschichtungen zu schützen schon lang an, auch wenn der Prozess noch vor wenigen Jahren recht aufwendig war. Doch beispielsweise den Ingenieuren der Luft- und Raumfahrtindustrie ist schon in der Entwicklung ihrer Produkte klar, dass die elektronischen Baugruppen aufgrund ihrer besonderen Belastungen auch besonders geschützt werden müssen.

In diesen Fällen wird schon im DFM-Stadium (Design für Manufacturing) das Conformal Coating eingeplant. Sprich das Layout der bestückten Leiterplatten wird schon im Vorfeld so designed, dass es ohne Probleme durch den Conformal Coating Prozess laufen kann. In den anderen Fällen, d.h. wenn die Schutzlackierung erst in Reaktion auf aufgetretene Fehler aufgesetzt wird, sind manchmal sogar umfangreichere Änderungen in Aufbau und Layout nötig, damit die Leiterplatten problemlos lackiert werden können. Ein Faktor, der unnötig Zeit raubt und Kosten verursacht. Wird das Conformal Coating von Beginn an in den Produktionsprozess eingeplant, halten sich die zusätzlichen Kosten absolut im Rahmen – nachbessern ist teurer.
Conformal Coating heißt nun nicht einfach ‘Leiterplatte lackieren’. Der Prozess ist in Planung und Durchführung komplexer. Leiterplatten dürfen meist nicht komplett lackiert werden, sondern manche Teile – Schalter oder elektrische Anschlüsse – müssen unlackiert bleiben, um ihre Funktion zu behalten.

Um die Schutzlackierung aufzubringen, gibt es verschiedene Verfahren. Die Lacke können manuell oder automatisch gesprayt werden, wobei die Leiterplatte vollständig oder eben selektiv, d.h. nur teilweise, mit dem Lack abgedeckt wird. Auch Tauchbad oder Pinsel können für den Lackauftrag verwendet werden. Die Anforderungen an die Schutzlackierung bestimmen die Auswahl des Materials. Acryl-, Silikon-, Epoxidharz- oder Polyurethan-Kunststoffe kommen beim Conformal Coating zur Anwendung. Sie helfen gegen Feuchtigkeit und bieten Schutz gegen permanente Vibration oder Schock, Korrosion, Schmutz und Temperatureinflüsse.

Die Schutzeigenschaften der Lacke werden durch ihre Schichtdicke (mehr ist besser), die Wasseraufnahme (weniger ist besser) und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber anderen Umweltbedingungen beeinflusst. Generell sind flexiblere Materialien gut für thermische Belastungen geeignet, harte und unelastischere Materialien sind beständiger gegenüber Chemikalien. Welches Material letztendlich zum Einsatz kommt, ermitteln die Hersteller für ihr jeweiliges Produkt in teilweise aufwendigen Testreihen. Natürlich gibt es Empfehlungen der Hersteller, doch die letztendliche Entscheidung muss der Produzent der elektronischen Baugruppe selbst treffen.

Die Anwendung bestimmt das Verfahren. Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat mit starken Umweltweinflüssen und Belastungen wie extremen Temperaturen, dadurch Kondensation, oder hohen Beschleunigung von Leiterplatten (z. B. im Flügel eines Jets bzw. in der Bordelektronik) zu kämpfen. Die Anforderungen der Hersteller von Computern – PCs, Laptops, Tablets, Smartphones etc. – wurden eingangs schon angerissen.

Auch die Medizintechnik ist mit besonderen Anforderungen konfrontiert – selbst in vergleichsweise einfachen Anwendungen wie einem Desinfektionsspender im Krankenhaus. Das Desinfektionsmittel sondert chemische Dämpfe ab und kann die Elektronik angreifen. Mit Conformal Coating kann die Elektronik geschützt werden.

Und sogar die Audioelektronik trifft auf Umgebungsvariablen, die Conformal Coating sinnvoll und notwendig machen. Beispiel Verstärkeranlagen, die mobil auf Veranstaltungen genutzt werden. Einmal im Hallenbad, einmal beim Apres-Ski oder Open-Air-Event – im Lager über Nacht und dann im Eventraum bei anderer Temperatur – massive Kondensation bis hin zur Pfützenbildung sind die Folge, die Gefahr von Kurzschlüssen ist groß.

Die Liste der Anwendungen für Conformal Coating ließe sich endlos weiterführen, von der Offshore-Windanlage über den Schiffsbau, militärische Produkte, Telekommunikation, Industriesteuerung, Verkehrstechnik, Lebensmitteltechnik bis hin zur Kaffeemaschine im Privathaushalt. Es gibt zahlreiche Bereiche, in denen Leiterplatten konstant Verunreinigungen oder anderen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Hier ist Conformal Coating absolut sinnvoll, um auf lange Sicht die Leiterplatten und somit deren einwandfreie Funktion zu schützen. Es wird unbedingt einer der Standardprozesse in der Leiterplattenfertigung werden.

Um den optimalen Schutz der Baugruppen zu gewährleisten, steigen selbstverständlich auch die Anforderungen an die eingesetzten Lackiermaschinen in der Fertigungslinie. Hoher Durchsatz, geringe Rüstzeiten, minimaler Wartungsaufwand, ein fehlerfreies, immer wieder aufs Neue reproduzierbares Ergebnis – die Liste der Kriterien ist lang. Investitionen in neue Fertigungsanlagen müssen sich wirtschaftlich rechnen. Bei der Rehm Thermal Systems GmbH haben sich die Entwickler um das Thema Conformal Coating intensiv Gedanken gemacht. Die Blaubeurer sind die Spezialisten für automatisierte Prozesse in ihrem Bereich der Produktion von elektronischen Baugruppen. Mit der ‘Protecto-Line’ haben sie eine Anlage auf den Markt gebracht, die sich ohne großen Aufwand in vorhandene Produktionslinien integrieren lässt – und mit der es sich rechnet, den Prozess des Conformal Coating in die eigene Fertigung einzubauen.

Hausinterne Erhebungen bei Rehm berechneten einen Bedarf von ca. 200 Beschichtungssystemen durchschnittlich pro Jahr. Der Bedarf in Europa und bei bestehenden Kunden nach dem Conformal Coating Prozess ist da. Einige Firmen haben sogar schon eigene Linien. Die ‘Protecto-Line’ ist die logische Erweiterung des Rehm-Portfolios. Zumal die Produkte für das automatische Handling der Leiterplatten, wie Öfen oder Kühlstrecken, schon längst Teil der Produktpalette der Blaubeurer waren.

Zur einer kompletten Conformal Coating Linie gehören neben den eigentlichen Lackieranlagen auch die Handlingseinrichtungen sowie die Trocken- oder Härteöfen. Das richtige Trocknen der Lacke ist ein enorm wichtiger Teil des Prozesses. Der Trocknungsprozess folgt direkt nach der Lackierung. Durch ein detailliert regelbares Temperaturprofil muss er zuverlässig und reproduzierbar sein. Falsche Temperaturprofile führen zu Fehlern – eine Problemstellung, mit der die Rehm-Entwickler schon von ihren Reflow-Lötanlagen her vertraut sind. Ausschuss und Verzögerungen kosten Geld.

Es gibt verschiedene Methoden, mit denen der Lack auf die Bauteile aufgetragen werden kann. Spritzen, Sprühen, Tauchen, Fluten, Dispensen und Gasphasenbeschichtung stehen zur Verfügung. Dabei müssen diverse Parameter beachtet werden, denn nicht jeder Lack kann mit jedem Verfahren appliziert werden. Da meist nicht alle Bauteile auf einer Leiterplatte lackiert werden dürfen, ist mittlerweile die selektive Sprühlackierung zum Standardverfahren des Conformal Coating geworden.

Individualisierung und Flexibilisierung des Prozesses war eine der Vorgaben, die sich die Rehm-Ingenieure bei der Entwicklung der ‘Protecto-Line’ selbst machten. Heraus kam ein System, das mit seiner Ausstattung und geringen Rüstzeiten auch für ausgesprochene HighMixLowVolume-Hersteller geeignet ist, d. h. auch bei vielen Produktwechseln mit kleineren Stückzahlen einfach eingesetzt werden kann. Bisher waren es vor allem die HighVolume-Herstellern, bei denen solche Syteme im Einsatz waren.

Bei der Entwicklung wurde ein starker Fokus auf die Düsentechnologie gelegt. Für die Entwicklung der Düsen, bzw. des Lackiersystems, kooperierte Rehm mit KC, ein erfahrener Partner für solche Systeme. Das exklusiv für die ‘Protecto-Line’ entwickelte selektive Auftragsverfahren Stream-Coat® bietet beste Voraussetzungen für eine Beschichtung ganz nach individuellen Anforderungen. Der hervorstechende Vorteil dieses Verfahrens: die innovative Düsenform. Ein Außendurchmesser von nur 2,5 mm mit einer Länge von bis zu 100 mm macht es möglich, auch zwischen eng stehenden, hohen Bauteilen optimal – auch bis unter die Bauteile selbst – zu lackieren. Eine implizierte Luftdüse dosiert den Lack auf sehr präzise und verteilt ihn spritz- und nebelfrei. Der gleichmäßige Lackfilm kann sogar hinter benachbarte Bauteilbeinchen und in Schattenzonen ausgebracht werden. Mehrfaches überfahren oder aufwendiges Schrägstellen der Düsen ist nicht mehr nötig.

Mit den Stream-Coat® Düsen können alle gängigen Lacke – von niedrig viskos bis hochviskos – problemlos verarbeitet werden. Trotz des geringen Außendurchmessers beugt eine relativ große Austrittsöffnung schnellem Verstopfen durch Schmutzpartikel oder dickflüssigen Lacken vor. Die Lackmenge wird automatisch an die Fahrgeschwindigkeit der Baugruppe in der Anlage angepasst. Langsam heißt weniger Lack, schneller bedeutet mehr, sodass immer ein gleichmäßiger Lackauftrag gewährleistet wird. Ein sogenanntes Jettingventil ermöglicht es zudem, durch extrem schnelles Öffnen und Schließen der Austrittsöffnung, den Lack punktgenau zu applizieren. Durch die Kombination von Stream-Coat® Düse und Jettingventil können extrem selektive, bis auf den Millimeter genaue, Beschichtungen aufgetragen werden. Außerdem kann programmgesteuert zwischen Sprühen, Jetten und Dispensen on the fly gewechselt werden, ohne die jeweilige Düse austauschen zu müssen.

Aber Rehm wäre nicht Rehm Rehm Thermal Systems , wenn die Ingenieure ihre Anlagen nicht stetig weiterentwickeln würden. Seit der ‘productronica 2013’, bei der die Anlage vor knapp einem Vierteljahr neu vorgestellt wurde, gibt es schon wieder eine Neuentwicklung für die ‘Protecto-Line’. Ab Februar wird eine neu entwickelte Düsentechnik verfügbar sein und als Düsenvariation für die Anlagen angeboten. Mit der dann neuen Technik kann nun eine Fläche mit bis zu 40 mm Vorhangsbreite aufgetragen werden. Die Zielsetzung der Ingenieure war ein besserer, schnellerer Auftrag und die Vermeidung bekannter Problematiken.

Bisherige Düsen der Mitbewerber arbeiten meist mit maximal 15 mm Breite sowie sehr hohem Druck mit kleinem Ventil. Dadurch entstehen Spritzer oder Wellen im Lack. Besonders bei hohen Bauteilen kann das zum Problem werden. Ablenkung Material, Schattenwurf, Bauteile müssen oft mehrmals angefahren werden. Das kostet Zeit und Material. Die ‘Protecto-Line’ kam schon bisher in der Regel mit einem Durchgang aus. Die andere Düsentechnik macht den Unterschied. Der Durchmesser des Jettingventils ist größer und das Ventil regelt über die Hubzahl stufenlos die Vorhangsbreite. Außerdem arbeiten die Stream-Coat® Düsen mit erheblich geringerem Druck, so können Spritzer vermieden werden.

Manches, was vor relativ kurzer Zeit noch eine revolutionäre Neuerung gewesen ist, gehört heute zum Standard. Conformal Coating wird diesen Weg wohl auch gehen. Die ‘Protecto-Line’ aus dem Hause Rehm Thermal Systems vereinfacht diesen Weg und wird so zu einer Haltbarkeits- und Qualitätssteigerung in der elektronischen Leiterplattenfertigung beitragen.
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Mit der Idee kleine, günstige Luftanlagen mit einer zu öffnenden Prozesskammer zu bauen wurde 1990 die Firma Rehm gegründet. Durch “Einfach. Mehr. Ideen.” im Bereich thermische Systemlösungen für Elektronikindustrie, ist Rehm heute Technologie- und Innovationsführer für die moderne und wirtschaftliche Elektronik-Baugruppen-Fertigung. Als global agierender Hersteller von Löt- und Trocknungssystemen sind wir in allen relevanten Wachstumsmärkten vertreten und realisieren als Partner für unsere Kunden, Fertigungslösungen, die Standards setzen.

Langjährige Partnerschaften mit unseren Kunden, die Zusammenarbeit mit renommierten Instituten und ein umfassendes Know-How sichern auch zukünftig unseren Erfolg. Mit einem hohen Eigenfertigungsanteil bieten wir unseren Kunden die passende Lösung für individuelle Anforderungen.

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