2-2012

Produktion

Produktion Temperaturgesteuerte schnellere Aushärtung mit UV-IR-Spot-Curing-Systemen Bild 1: Hier wird der zeitliche Verlauf der optischen Leistung und der Temperatur dargestellt. Bild 2: Zeitlicher Verlauf der optischen Leistung (weiß), Soll-Temperatur (rot) und Ist-Temperatur (gelb) Bild 3: Temperaturverlauf eines Klebstoffs bei Pulsbetrieb Das Aushärten von Klebern erfolgt bisher je nach Klebertyp mit thermischen oder UV-Strahlungssystemen, die je nach Applikation und Anforderungen konfiguriert werden. Nachfolgend werden die Vor- und Nachteile dieser beiden Systeme mit den Eigenschaften des neuartigen iCure-Systems verglichen, das thermisch und mittels UV-VIS- IR-Licht berührungslos aushärtet. Die Anforderungen an einen Klebeprozess sind hoher Durchsatz, Zuverlässigkeit, Prozesssicherheit und die einfache Integration in eine Produktionslinie, wobei seit einiger Zeit die Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit immer stärker in den Vordergrund treten. Autor: Matthias Godejohann, Geschäftsführer MG Optical Solutions GmbH Vergleich UV-Lampen und thermisches Härten UV-Lampen: UV-Strahlung härtet die entsprechenden Kleber sehr schnell aus und kann über Glasfasern gezielt auf die Klebestelle gebracht werden, ohne andere Bereiche unnötig thermisch zu belasten. Es ist möglich, den Energieeintrag schnell zu ändern und so über ein angepasstes zeitliches Profil den Prozess zu optimieren. Die Klebstoffe beruhen auf mit Photoninitiatoren versehenen Poly acrylaten, die zwar sehr gut haften, aber bei nicht vollständiger Aushärtung klebrige („tacky“) Oberflächen behalten oder im Kern flüssig bleiben können. Das Aushärten nur mittels UV- Strahlung erlaubt es zwar sehr selektiv die Energie in den Klebstoff einzubringen, benötigt dazu allerdings UV-transparente Substrate oder eine direkte Beleuchtung des Klebers. Gleichzeitig ist besonders in der Medizintechnik sicherzustellen, dass die Klebepartner nicht durch die ultraviolette Strahlung modifiziert oder gar beschädigt werden. Thermische Aushärtesysteme: Thermoden, Öfen oder IR-Lampen erwärmen das gesamte Produkt, um über Wärmeleitung durch die Klebepartner hindurch den Klebstoff auszuhärten. Lange Zykluszeiten von mehreren Minuten, hohe thermische Belastung der Klebepartner und ein erhöhter Energieaufwand sind allerdings die Nachteile dieses Verfahrens. Speziell in Öfen treten, je nachdem wo sich das Bauteil befindet, Temperaturunterschiede von bis zu 10 °C auf, die die Aushärtezeit verdoppeln können. Um bei qualitätskritischen Produktionsprozessen die erforderliche Qualität für alle Bauteile zu sichern, werden üblicherweise alle Komponenten solange gehärtet, bis auch die „kälteste“ Klebestelle fest ist. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass über die Hälfte der Produkte mehr als doppelt so lang ausgehärtet werden wie eigentlich nötig. Hohe Produktionskosten und -zeiten sind die Folge. Außerdem dehnen sich die Klebepartner durch die starke Erhöhung der Temperatur von außen vor dem eigentlichen Aushärten unterschiedlich stark aus. Genau in dieser Position fixiert der Kleber die Teile, so dass nach dem Abkühlen mechanische Spannungen auftreten und die Bauteile dejustiert sind. Die Aushärtung erfolgt entweder in relativ großen Wärmestraßen oder chargenweise in herkömmlichen Öfen, wodurch der kontinuierliche Produktionsfluss unterbrochen wird. Thermisch aushärtende Kleber basieren häufig auf Epoxiden, die weniger zu klebrigen Oberflächen neigen und eine viel höhere Glasübergangstemperatur (Tg-Wert) besitzen, als etwa Polyacrylate. Meistens sind sie kostengünstiger als UV-Kleber. Anforderungen an Härtesysteme Da in fast allen Branchen die Klebtechnik eingesetzt wird, differieren auch die Anforderungen entsprechend. In der Medizintechnik sollen Klebungen beispielsweise sehr langlebig und zuverlässig sein, um die Behandlung für den Patienten möglichst risikoarm und minimalinvasiv zu gestalten. Dagegen reicht es in der Elektronikproduktion häufig aus, einen IC bis zur endgültigen Kontaktierung im Lötbad zu fixieren. Folgende Eigenschaften sollte ein ideales Klebesystem besitzen: • hoch qualitative Klebeverbindung • temperaturgesteuerte Aushärtung • gezielter Energieeintrag nur in den Klebstoff 12 meditronic-journal 2/2012

Produktion Bild 4: Verlaufen des Klebstoffs während des Aushärtens im Ofen und mit iCure (Studie Fraunhofer IPT, Aachen 2011) • zeitliche Steuerung der Wärmeleistung, um Qualität und Prozesszeit zu optimieren • energieeffiziente Aushärtung • einfache Integration in Produktionslinien • abgeschlossenes System mit Selbstkalibrierung • kosteneffizienter Prozess Temperaturgesteuertes Aushärten erhöht die Zuverlässigkeit Das iCure-System bietet die Möglichkeit die Solltemperatur des Klebers und der Klebestelle, sowie deren zeitlichen Verlauf vorzugeben (Bild 1). Sie wird berührungslos über Pyrometer oder Thermocouple gemessen und die optische Leistung entsprechend in Echtzeit nachgeregelt. Damit ist der Klebeprozess unabhängiger von den Absorptions- und Wärmeleitungseigenschaften der Bauteile und damit genauer reproduzierbar. Da die Aushärtezeiten der Kleber von den Herstellern immer in Abhängigkeit der Klebstofftemperatur und nicht etwa der Ofen- oder Komponententemperatur angegeben werden, ist nur so die Vergleichbarkeit des Prozesses mit den Vorgaben aus dem Datenblatt sicherzustellen. Außerdem kann der Temperaturverlauf des individuellen Produkts zu Qualitätssicherungs- und Dokumentationszwecken abgespeichert werden (Bild 2). meditronic-journal 2/2012 Pulsbetrieb Die schnelle Reaktionszeit und die robuste Konstruktion der Leistungsregelung erlauben sogar den Pulsbetrieb, der häufig die Prozesse weiter beschleunigt (Bild 3). Durch gepulsten Energieeintrag ist es möglich den zur Aushärtung nötigen Energieeintrag in kürzerer Zeit zu erzielen, ohne die Oberfläche des Klebers zu modifizieren oder gar zu verbrennen. Die Energie zum Starten des Aushärteprozess wird quasi in die Tiefe des Materials „gepumpt“ und beschleunigt so die Reaktion, ohne den für die Oberfläche kritischen Bereich zu erreichen. Während des ersten Lichtblitzes wird die Energie mittels Absorption über die gesamte Eindringtiefe gleichzeitig in den Kleber gebracht. Der nicht absorbierte Teil der Strahlung trifft auf das Substrat und erwärmt es ebenfalls. In der Dunkelphase kühlt sich die Oberfläche durch Strahlung und Konvektion wesentlich schneller ab als die unteren Schichten des Klebers das nur über die Wärmeleitung können. Auf diese Weise wird die Oberfläche weniger stark belastet und damit vor dem Verbrennen geschützt. So kann letztendlich eine höhere Durchschnittsleistung als bei kontinuierlicher Bestrahlung genutzt und der Prozess beschleunigt werden. iCure Das iCure-System liefert im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren UV- und Wärmestrahlung gleichzeitig. Auf diese Weise laufen UV-Curing-Prozesse auf Grund des zusätzlichen IR-Anteils bei höheren Klebertemperaturen und damit schneller ab. Produktionsanlagen erreichen deutlich kürzere Taktzeiten. Dazu wird mit einem starken Leistungsimpuls der UV-Härteprozess angestoßen und anschließend die Leistung reduziert, um nur die Temperatur auf höherem Niveau zu halten. Beim Aushärten von Epoxiden hat die iCure-Methode den Vorteil, dass sich nur der Kleber selektiv erwärmen lässt, ohne die Klebepartner thermisch zu belasten. Im Gegensatz zum thermischen Aushärten im Ofen werden so die mechanischen Spannungen beim und nach dem Aushärten drastisch reduziert. In der Mikroelektronik ist es möglich nur mit dem IR-Anteil, den Kleber unterhalb eines Silizium-Chips auszuhärten, ohne den Chip selbst zu erhitzen, weil dieser für die Wärmestrahlung ab 1,2 µm Wellenlänge durchlässig ist (Shadow-Curing). Des Weiteren kann durch gezielten Filtereinsatz die höhere Eindringtiefe der Wärmestrahlung im mittleren Infrarot zur homogeneren Aushärtung bei Vergüssen genutzt werden. Zeitliche Steuerung der Wärmeleistung Die zeitliche Steuerung der Wärmeleistung ist im Ofen nur sehr träge und unflexibel zu realisieren. Die Wärmekapazität der Klebepartner verzögert den Prozess zusätzlich. UV- und UV-IR- Lampen erwärmen den Klebstoff selektiv und lokal. Sie reagieren in Sekundenbruchteilen. Temperaturprofile können genutzt werden, um zum Beispiel das Absinken der Viskosität des Klebers während der Initiierung je nach Anwendung zeitlich zu strecken oder zu verkürzen. Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie in Aachen hat zur Verdeutlichung Mikroskop-Glasträger mit identischen Klebstofftropfen versehen und zur Aushärtung senkrecht in den Ofen gestellt (Bild 4). Man sieht deutlich das geringere Kontaminationsrisiko benachbarter Bereiche bei der Aushärtung mittels iCure. Umgekehrt erlaubt die wesentlich genauere Prozesskontrolle auch eine zeitliche Dehnung der Initiierung. Während dieser Phase ist der Kleber sehr dünnflüssig und kann bei Faserbündeln oder schmalen Spalten besser per Kapillarwirkung in die Zwischenräume gezogen zu werden. Damit werden größere Kontaktflächen erzielt und die Klebungen belastbarer. IR-Spot-Curing-System Die folgende Grafik zeigt den vereinfachten Aufbau des IR- Bild 5: IR-Spot-Curing-System mit spezieller UV-MIR-Hochleistungslampe, Shutter, Faserbündel und Fokussieroptik 13