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1-2023

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Löt- und

Löt- und Verbindungstechnik Fertigung und Re-Manufacturing von Batteriemodulen Universelle Arbeitszelle Die Firma F&S hat eine kostengünstige Maschine entwickelt, die auch für Neueinsteiger attraktiv ist, und die trotz ihrer Funktionsvielfalt einfach zu bedienen ist. Bondkopf mit zusätzlicher CO 2 -Reinigungsdüse Die Wiederaufbereitung von gebrauchten Batteriemodulen ist wirtschaftlich von großem Interesse und wird auch von der EU gefördert und gefordert. Dabei geht es um ein beträchtliches Volumen: ab 2030 werden einer Studie des Fraunhofer ISI zufolge etwa 230.000 t gebrauchte Lithiumbatterien pro Jahr allein in Europa anfallen, ab 2040 sogar etwa 1.500.000 t. Derzeit wird vor allem das Recycling von Batterien auf der Ebene der enthaltenen Materialien diskutiert, die Batterien werden also verschrottet. Dabei wäre es weitgehend möglich, ganze Zellen wieder einzusetzen, weil in defekten Batteriemodulen häufig nur wenige Zellen tatsächlich unbrauchbar sind. Aus den übrigen Zellen könnten dagegen neue Module zusammengestellt werden. Das scheitert meist aber daran, dass die Zellen nicht ohne Beschädigung aus dem Modulverband herausgetrennt werden können, weil die Kontaktierung nicht zerstörungsfrei gelöst werden kann, jedenfalls für die am weitesten verbreiteten Widerstands- oder Laserschweißverbindungen. F&S BONDTEC Semiconductor GmbH info@fsbondtec.at www.ris.bka.gv.at Die Lösung dieses Problems sind Drahtbondverbindungen, wie sie in vielen Batterien für E-Fahrzeuge eingesetzt werden: Sie sind stoffschlüssig, also robust und lang lebig, kommen aber gleichzeitig ohne Schmelzphase und damit ohne Gefüge änderungen aus. Daher ist es problemlos möglich, eine Batteriezelle ein zweites Mal per Drahtbond zu kontaktieren. Die Universal-Fertigungseinheit Series 86 vereint erstmals mehrere Funktionen zum Re-Manufacturing von Batteriemodulen in einer Maschine. Als Drahtbonder kontaktiert sie die Module in der Erstherstellung in konventioneller Weise. Beim Re-Manufacturing deckt sie weitere Fertigungsschritte ab: 1. Zunächst werden die alten Drahtbonds schonend entfernt. Dazu dient ein Scher-Testkopf, der eigentlich für die Qualitätskontrolle von Dickdrahtbonds gedacht ist. Dabei wird der Drahtbond von einem Scher-Tool seitlich weggeschoben und die dazu erforderliche Kraft gemessen; diese ist ein Maß für die Qualität des Bonds. Derselbe Vorgang lässt sich aber perfekt dazu nutzen, den Bond schonend zu lösen (Foto), denn sowohl der Angriffspunkt am Bond wie auch die Höhe über dem Substrat werden vom Scher-Testkopf genau ermittelt und mit einem Bilderkennungssystem nachjustiert, sodass der Bond tatsächlich ohne Beschädigung des Untergrunds entfernt werden kann. Der ganze Vorgang läuft vollautomatisch und somit hochproduktiv ab, denn die Drahtbonds eines ganzen Moduls werden ohne Bedienerunterstützung gelöst. Zusätzlich kann dabei, falls gewünscht, die Scher-Testfunktion genutzt werden, um noch die Qualität der entfernten Bonds zu messen, z.B. um den Alterungszustand des Batteriemoduls hinsichtlich der Verbindungen zu erfassen. 2. In diesem Schritt kann der Zustand jeder einzelnen Zelle ermittelt werden. Dazu dient ein wechselbarer Messkopf auf der Maschine, der wieder automatisch und programmierbar jede Zelle mit einem Messfühler (mit programmierbarer Aufsetz kraft und anderen einstellbaren Parametern) kontaktiert und die gewünschten elektrischen Messungen durchführt. Es gibt dazu bereits Vergleichstabellen mit Erfahrungswerten von Batteriezellen verschiedener Hersteller, um die Qualität der vorliegenden Zellen einordnen zu können. Das erlaubt nicht nur eine Gut/Schlecht-Beurteilung, sondern auch eine feinere Sortierung der Zellen in unterschiedliche Qualitätsklassen für die Weiterverwendung. 3. Im dritten Schritt, der außerhalb der Maschine stattfindet, werden die Zellen aus dem Verbund entnommen und ggf. nach Qualitätsklassen sortiert. Anschließend können die Zellen zu neuen Modulen zusammengesetzt werden. 4. Den vierten und ggf. fünften Schritt erledigt wieder die Fertigungseinheit: die Zellen werden wieder mit dem Drahtbondkopf zu einem Modul verschaltet. 5. Falls sich durch visuelle Inspektion oder auch durch die Messung der Verbindungsqualität in Schritt 1 gezeigt hat, dass die Oberflächenqualität der Bondflächen nicht mehr gut oder gleichmäßig genug ist, kann am Bondkopf zusätzlich eine Reinigungsdüse installiert werden (Foto), die mit CO 2 -Trockenschnee die Oberflächen reinigt und aktiviert, bevor sie mit dem Drahtbonder kontaktiert werden. Auch dieser Schritt erfolgt vollautomatisch und programmiert. Die Universal-Fertigungseinheit hat einen großen Arbeitsbereich, in dem Batteriemodule bis zur Größe von 51 x 72 cm Platz finden, oder auch mehrere kleine Module nebeneinander. Sie kann auch mit automatisiertem Bauteilwechsel ausgestattet werden, wenn die Stückzahlen das Erfordern. Man sieht den Anwendungsbereich aber vor allem für Batteriemodule in kleineren Stückzahlen bei hoher Variantenvielfalt, etwa bei Neueinsteigern in die Industrie. Gerade hier ist der Wunsch nach Re-Manufacturing von gebrauchten Modulen besonders ausgeprägt. Deshalb hat man eine kostengünstige Maschine entwickelt, die auch für Neueinsteiger attraktiv und die trotz ihrer Funktionsvielfalt einfach zu bedienen ist. Das liegt vor allem an der flexiblen Software, die neue und zusätzliche Funktionalitäten ohne großen Aufwand einbinden kann. So kann die Fertigungszelle auch zukünftig hard- und softwareseitig erweitert werden, z.B. mit einer weiter verfeinerten optischen Inspektion oder auch einer Dispensfunktion für Kleber oder Dichtungen. ◄ Serie 86XX mit wechselbaren Arbeitsköpfen 50 1/2023

Löt- und Verbindungstechnik Neue Epoxies härten bei 60 °C Panacol hat eine Reihe von neuen 1K-Epoxidharz-Klebstoffen entwickelt, die schon ab Temperaturen von 60 °C aushärten. Diese neue Klebstofftechnologie ist speziell für Elektronikanwendungen geeignet und besitzt insbesondere eine sehr hohe Adhäsion auf Substraten mit niedriger Oberflächenspannung. Mit den Klebstoffen Structalit 5511, 5521 und 5531 wurde eine Reihe an Klebstoffen entwickelt, die im ausgehärteten Zustand unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Sie ermöglichen den Einsatz der Epoxytechnologie bei unterschiedlichen Bauteilgeometrien, Substraten und Anforderungsprofilen. Alle drei sind einkomponentige Klebstoffe auf Epoxidharzbasis und härten bereits bei 60 °C aus, sodass sie besonders für temperatursensible elektronische Bauteile geeignet sind. Bei höheren Aushärtetemperaturen kann die Aushärtung beschleunigt und die Haftfestigkeit noch weiter erhöht werden. Structalit 5511 besticht durch einen niedrigen Ionengehalt und ist daher optimal für die Anwendung in Elektroniken geeignet. Durch die Kombination eines hohen E-Moduls mit einer Bruchdehnung von mehr als 8% sorgt er für eine hohe Haftung auf vielen Substraten mit zusätzlicher Schock- und Vibrationsfestigkeit. Structalit 5521 ist nach der Aushärtung etwas weicher und flexibler, sodass der Klebstoff Spannungen zwischen den Substraten besser ausgleichen kann. Durch den sehr niedrigen E-Modul ist dieser Klebstoff sehr gut als Verguss oder für den Auftrag dickerer Klebstoffschichten geeignet. Als dritter Klebstoff der neuen Epoxytechnologie verfügt Structalit 5531 über einen besonders niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) und ist dennoch flexibel genug, um Fall- und Vibrationstests zu bestehen. In den Klebstoff eingearbeitete Füllstoff partikel machen den Klebstoff äußerst beständig gegen mechanische und chemische Einflüsse. Sehr hohe Haftfestigkeit Die vorgestellten Structalit-Klebstoffe besitzen eine sehr hohe Haftfestigkeit auf vielen gängigen Werkstoffen in der Elektronikindustrie, zudem haften sie sehr gut auf LCP (Flüssigkristallpolymer) und anderen Hightech-Kunststoffen mit niedriger Oberflächenenergie. Die Klebstoffe haben einen niedrigen Halogengehalt und erfüllen die internationalen Standards für Elektronikklebstoffe. Panacol-Elosol GmbH www.panacol.de High-Performance Frame&Fill-Klebstoffe Panacol hat eine neue Reihe an High-Performance-Klebstoffen für Frame&Fill-Anwendungen auf Leiterplatten entwickelt. Frame&Fill- Verfahren werden zum Schutz hochkomplexer oder sensibler Bereiche auf elektronischen Leiterplatten eingesetzt. Im ersten Schritt wird mit einem hochviskosen Klebstoff ein Rahmen – der sogenannte Frame – aufgetragen. Im nächsten Schritt wird dieser Bereich mit niedrigviskosem Füllmaterial – Fill – aufgefüllt. Präzises Verfahren Mit diesem präzisen Verfahren können Bereiche auf der Leiterplatte vor mechanischen Einflussfaktoren geschützt werden. Die Kombination aus Frame&Fill- Materialien ermöglicht den Auftrag minimaler Barriere- und Vergusshöhen und härtet zu einer homogenen Beschichtung aus. Bei der neuen Frame&Fill-Klebstoffreihe von Panacol sind die Komponenten so aufeinander abgestimmt, dass Frame und Fill nass in nass optimal dosierbar sind, ohne dass die noch flüssigen Klebstoffe zu einem unerwünschten Verlaufen auf der Leiterplatte führen. Structalit 5704 Das Frame-Material Structalit 5704 ist ein schwarzer, thermisch härtbarer und einkomponentiger Epoxidharzklebstoff. Diese Frame- und Glob-Top- Masse verfügt über eine exzellente Raupenstabilität und hohe Glasübergangstemperatur von 150 bis 190 °C, je nach Aushärteparametern und erzeugten Schichtstärken. Bei der Verwendung von Structalit 5704 treten keine Bleedingeffekte auf. Aufgrund seines sehr geringen Ionengehaltes von weniger als 20 ppm kann Structalit 5704 bedenkenlos als Chipverguss auf Leiterplatten eingesetzt werden. Als Fill-Material hat Panacol eine Reihe von Klebstoffen mit unterschiedlichen rheo logischen Eigenschaften entwickelt. Die Klebstoffe Structalit 5717 bis Structalit 5721 verfügen über ein optimiertes Fließverhalten, sodass sie aufgrund der unterschiedlich eingestellten Viskositäten auf diversen Chip- und Bonddrahtgeometrien eingesetzt werden können. Da die Fills auf derselben chemischen Basis wie das Frame-Material beruhen, finden sich auch in den Fills die exzellenten physikalischen und chemischen Eigenschaften des hohen Glasübergangsbereichs, der Ionenreinheit, der Temperaturstabilität sowie des minimalen Schrumpfungsverhaltens wieder. Im ausgehärteten Zustand bilden Structalit 5704 und der passende Fill der Structalit-Reihe 5717-5721 eine schwarze, blickdichte und kratzfeste Beschichtung. Diese Eigenschaften, verbunden mit einer Temperatur stabilität bis 200 °C, gewährleisten höchste Zuverlässigkeit und einen höchstmöglichen Schutz. Panacol-Elosol GmbH www.panacol.de 1/2023 51

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