In den letzten zwei Jahrzehnten haben Fortschreibungen im Umweltschutz erheblich die manuellen Reinigungsprozeduren (gelegentlich auch Benchtop-Reinigung genannt) in der Elektronik verbessert. Die erste große globale Anstrengung für einen verbesserten Umweltschutz war die Verbannung von fluoridierten Kohlenwasserstoffen (FCKWs), welche die Ozonschicht der Erde schädigen. Diese weltweite Maßnahme begann in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts und war in etwa zur Jahrtausendwende abgeschlossen. Doch die geplagten Entwicklungsingenieure und Fertigungsfachleute stehen heute vor noch wesentlich größeren und komplexeren Herausforderungen: die drastische Minimierung von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs/FOVs verursachen Smog in den unteren Luftschichten über Ballungsgebieten), Schutz unserer Wasserressourcen, die globale Erwärmung, höhere Arbeitsplatzsicherheit sowie die beträchtlichen wirtschaftlichen Zwänge, die immer kürzere Lebenszyklen der Elektronikprodukte mit sich bringen.
Sowohl die einzelnen Unternehmen als auch die verschiedenen Länder haben sich bei der Lösung dieser Herausforderungen zum Teil für sehr unterschiedliche Strategien entschieden, um hier passende Antworten zu finden. Doch für große Firmen mit Niederlassungen in vielen Regionen der Welt kann diese regulatorische Vielfalt unter Umständen massive Probleme bereiten, denn Regeln, die in einem Land bzw. einer Gemeinschaft wie der EU richtig sind, müssen nicht notwendigerweise mit Regularien in anderen Regionen konform gehen. Solche technologischen Konflikte verhindern möglicherweise, daß Unternehmen weltweit in ihrem Bereich universell einsetzbare Reinigungsprozeduren einführen können, was wiederum zu Ungereimtheiten in ihren global standardisierten Fertigungsprozessen führen dürfte.
Wissen, wonach man fragt
In diesem Artikel gehen wir den Problemen nach, die entstehen, wenn gesetzliche Regelungen in unterschiedlichen Regionen untereinander inkonsistent sind. Wir empfehlen zur Lösung der Aufgabe eine Vorgehensweise in den hier geschilderten drei Schritten. Prozeßingenieure können diese Methodik für die weitere Verbesserung der Fertigungstechnik einsetzen.
Auf den ersten Blick erscheint manuelles Reinigen (Benchtop-Reinigung) in der Elektronikfertigung als ziemlich einfach, doch tatsächlich handelt es sich um einen anspruchsvollen Prozeß im industriellen Umfeld. Man muß sich hierbei vergegenwärtigen, daß die Anforderungen an die chemischen Formulierungen, die man für die optimale manuelle Reinigung einsetzen kann, erheblich von jenen für automatische Reinigungsmaschinen abweichen.
Eine Reinigungsflüssigkeit muß eine ganze Reihe von Kriterien erfüllen, damit sie für manuelle Arbeiten akzeptiert und damit auch wirtschaftlich erfolgreich wird. In erster Linie darf sie grundsätzlich nicht toxisch sein, denn Fertigungsmitarbeiter haben damit täglich Kontakt. Die Flüssigkeit soll zudem rasch trocknen und auch keinen starken Geruch aufweisen, möglichst nicht zündwillig sein - und selbstverständlich auch eine gute Reinigungswirkung haben. Der Reiniger muß leicht anwendbar sein, generell einfach im Handling sowie in der Aufbewahrung und natürlich darf es letztlich keine Entsorgungsprobleme geben. Natürlich muß auch die Kostensituation attraktiv sein. Solch ein Reiniger darf trotz seiner sehr guten Wirkung weder Substrate noch Bauteile angreifen oder gar schädigen. Es liegt auf der Hand, daß es nicht viele Reinigungschemikalien gibt, die alle diese Anforderungen optimal erfüllen können.
Doch über all den genannten Anforderungen an die Reinigungsflüssigkeit stehen die unterschiedlichen Umweltschutz-Regularien, die weltweit eingeführt werden und wurden. Oft von Leuten, die sich durch wenig Kenntnisse und Interesse für die Problematik auszeichnen, und noch viel weniger die Kriterien kennen, anhand derer die Mitarbeiter in den Firmen die manuellen Reinigungsprozeduren vornehmen. Es sind hauptsächlich folgende Regulierungswerke, welche die Materialauswahl beeinflussen und auch begrenzen: REACH (Registration, Evaluation, Authorisation of Chemicals) in der EU; GHS (Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals) der UN, das inzwischen in der EU als CLP-Verordnung (Regulation on Classification, Labelling and Packaging of Substances and Mixtures) Rechtskraft erlangt hat (fortlaufend jedoch angepaßt und korrigiert). Hinzu kommen noch die Regulierungen für Halogenmaterialien in Asien sowie die SCAQMD-Auflagen (South Coast Air Quality Management District) speziell in Süd-Kalifornien. Zusammen führen alle diese Festlegungen zu Einschränkungen, welche die Verwendung von ansonsten vielversprechenden Chemikalien verhindern können.
Aus Europa kamen die Direktiven ROHS (Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances) und WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment), doch die hier initiierten Auflagen verblassen regelrecht in Bezug zu den REACH-Bestimmungen. Hier werden erhebliche Anstrengungen unternommnen, um bisher nicht bekannte Auswirkungen von Chemikalien auf Mensch und Umwelt festzustellen. Das Ziel dabei ist, den Einsatz von Chemie soweit zu kontrollieren, daß gesundheitliche Gefährdungen der Öffentlichkeit ausgeschlossen werden können. Innerhalb weniger Jahre werden die REACH-Regularien hohe Relevanz für jede Branche und jeden Industriebetrieb in Europa haben. Damit werden umfangreiche Prüfungen und Analysen der von uns allen täglich verwendeten Flüssigkeiten, Pasten und festen Materialien obligatorisch. Selbstredend gehört dazu beispielsweise auch Tinte, Druckfarbe oder Toner mit der dieses Blatt, das Sie derzeit lesen, gedruckt wurde. Dies beinhaltet für die Unternehmen auch teuer realisierte Konformitäts-Verpflichtungen. Sicherheitsdatenblätter (MSDS, Material Safety Data Sheets), die heute meist noch aus einigen prägnanten und dem Fertigungsfachmann durchaus verständlichen Seiten bestehen, werden in der Folge vermutlich immer umfangreicher und undurchdringlicher und sind deshalb nur noch für erklärte Spezialisten einigermaßen verständlich. Entsprechend der nötigen umfangreichen Prüfungen auf mögliche toxische Risiken werden somit auf lange Sicht nur noch jene gut bekannten Materialien eingesetzt werden können, deren toxisches Profil bestens untersucht und dokumentiert ist. Höchstwahrscheinlich wird dies weitere Material-Innovationen in diversen Sektor weitgehend verhindern.
Die regulatorische Problematik reicht allerdings weit über Europa hinaus. Speziell in China als auch in Kalifornien gibt es beispielsweise eine Reihe von besonders innovativen Unternehmen. Doch die weiter zunehmende und nicht vorher bestimmbare Entwicklung der Umweltschutzgesetze kann sich hier als schwere Belastung der Unternehmen erweisen. So sind beispielweise einfache Behälter für Isopropylalkohol in Kalifornien wegen der hier möglichen Emission flüchtiger organischer Stoffe (VOCs) nicht erlaubt. Zudem haben erst kürzlich die chinesischen Regulierungsbehörden, um ihre Umweltschutzgesetze in Übereinstimmung mit den global gültigen Systemen zu bringen, Entwürfe zu ihren neuen Vorstellungen über die ROHS- und GHS-Gesetzgebung veröffentlicht. Damit nicht genug, wurden hier auch noch Ergänzungen mit regionaler Gültigkeit angebracht. Deren künftige volle Implementierung vorausgesetzt, kann es für die betroffenen Unternehmen sehr schwierig und teuer werden, damit den global gültigen Auflagen nachzukommen.
Eine andere nicht zu unterschätzende Auflage sind die Anforderungen an die Verpackungen und Kennzeichnungen der Produkte. Praktisch alle Länder verlangen mit Recht im Rahmen des Konsumenten- und Anwenderschutzes das diese Hinweise in der Landesprache vermerkt sind. Problematisch ist hier, daß es innerhalb der EU 23 offizielle Landessprachen gibt. Der damit nicht beabsichtigte Effekt ist, daß Lieferanten diverse kleinere Landesmärkte nicht mehr bedienen können bzw. verlassen müssen, weil sie der Kennzeichnungspflicht nicht nachkommen können. Das heißt in unserem Fall, daß in solchen Ländern innovative chemische Neuentwicklungen nicht verfügbar sind, einfach deswegen, weil man auf dem Etikett nicht die Sicherheits- und Handlinghinweise in allen 23 Sprachen unterkriegt.
Nicht übersehen werden darf außerdem, daß viele regulatorische Auflagen gemacht werden, ohne daß deren Urheber den vollen Arbeitsablauf und Materialbeschaffenheiten überhaupt verstehen. Als Beispiel dient hier die Auflage, daß Wasser oft als Lösungs- bzw. Reinigungsmittel vorgeschrieben ist, denn es gilt als "grün" und "sicher" unter Umweltgesichtspunkten. Leider ist das eine Über-Simplifizierung, denn Wasser ist nicht in allen Applikationen wirksam einsetzbar, beispielsweise bei der manuellen Flußmittelentfernung. Weil schließlich die Verbrennung von fossilen Energieträgern zur Elektrizitätserzeugung eine der Hauptursachen für die Emission von klimaschädlichen Schadstoffen ist, wird jeder Einsatz von wasserlöslichen Reinigungsmitteln den unbeabsichtigten und unerwünschten Effekt einer Erhöhung der klimaschädlichen Gas-Emission zur Folge haben. Wie auch immer wir es drehen und wenden wollen, die ständig komplexer werdenden und erweiterten gesetzlichen Regulierungen sind Tatsachen und die davon betroffenen Unternehmen sind gut beraten, sich hier gut anzupassen.
Neue Richtlinien ermöglichen bessere Auswahl
Für die äußerst beschäftigten Fertigungsfachleute sind es sehr zeitaufwendige und kostspielige Prozesse, Flußmittelentferner und Reiniger für die manuelle Anwendung auszuwählen, zu überprüfen und letztlich den Prozeß im Unternehmen zuzulassen. Einige leicht verständliche Richtlinien können bei der Vereinfachung des Vorgangs allerdings sehr hilfreich sein:
Bei jeder Auswahl von Alternativen sollte man sich auf solche kommerziell verfügbare Chemikalien beschränken, deren Brauchbarkeit auf dem Markt schon längere Zeit nachgewiesen ist. Kritische Materialien, die Gegenstand internationaler Überprüfungen sind und deren Langzeit-Verfügbarkeit deshalb nicht sicher ist, sollten vermieden werden. Nicht nur der chemischen Substanz als solcher gilt die Aufmerksamkeit, sondern auch dem Gebinde, in der sie verfügbar ist. Zwar sind Aerosole bezogen auf den Literpreis etwas teurer, aber für die manuelle Reinigung offerieren sie einige wichtige Vorteile. Heutige überlegt gestaltete Gebinde können dazu beitragen, sowohl die Prozeßeffizienz zu steigern als auch mögliche Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren und dabei auch die Arbeitssicherheit zu verbessern. Wer die Reinigerauswahl nur anhand des Vergleichs einschlägiger Sicherheitsdatenblätter vornimmt, blendet wesentliche Aspekte im Reinigungsprozeß aus. Natürlich muß man auch den eigentlichen Reinigungsprozeß insgesamt betrachten. Der antiquierte Vorgang mit Eintauchen des Teils in die Lösung und anschließendem Entfernen der Rückstände (Dip-and-Brush) ist mittlerweile obsolet. Einige Anbieter haben sehr praktisch anwendbare Dosiervorrichtungen entwickelt, die den Reinigungsvorgang drastisch verbessern und gleichzeitig die Kosten des Vorgangs deutlich reduzieren.Schritt Eins: Suche der neuen Reinigerformulierung
Wir empfehlen hier einen Prozeß für die Auswahl des Reinigers, der in drei Schritten erfolgt. Damit wird sichergestellt, daß in dem schwierigen Umfeld der vielfältigen gesetzlichen Regelungen die optimale Formulierung gefunden wird.
Seit der Jahrhundertwende haben Tausende von Unternehmen in der EU solche Reinigungsflüssigkeiten ausgewählt, die als mildes Lösungsmittel flüchtige Methyldisiloxane (CAS Nr. 107-46-0) enthalten. Es handelt sich um einen überragenden, wenn auch nicht völlig perfekten Reiniger für Elektronik.
Methyldisiloxane zeichnen sich durch eine ungewöhnliche Kombination von vorteilhaften Eigenschaft aus. Diese milde, schnell abtrocknende Flüssigkeit ist entfernt verwandt mit Siliconen und praktisch geruchlos. In der Atmosphäre liegt ihre Einwirkungszeit unter 30 Tagen. Sie akkumulieren sich auch nicht in der Atmosphäre und werden zudem ziemlich rasch zu natürlich vorkommenden Chemikalien abgebaut. Insgesamt bedeutet dies, daß ihr Beitrag zum Klimawandel, zum städtischen Smog und zur Schädigung der Ozonschicht dem derzeitigen Stand der Erkenntnis nach vernachlässigbar sind. (Über das Literaturverzeichnis am Artikelende sind hierzu weiterführende Informationen erschließbar.)
Für Siloxane gibt es ausgezeichnete Nachweise über ihre weitgehend günstiges toxikologische Verhalten. Unterschiedliche Formulierungen dieser Flüssigkeit finden sich in Kosmetika und anderen Produkten der Körperpflege, oft als Trägersubstanz zusammen mit Lipiden (Emollentien zur Rückfettung) für Antitranspirants, Haar- und Hautpflegemittel usw. Für Mitarbeiter, die täglich damit umgehen und somit Hautkontakte haben, ein wichtiger und nicht zu unterschätzender Vorteil.
Diese Flüssigkeiten lassen sich an spezielle Anwendungen relativ leicht anpassen, indem man kleinere Mengen von anderen Bestandteilen beimischt. Sie lassen sich besonders effektiv als Flußmittelentferner einsetzen, insbesondere bei No-Clean-Prozessen. Die vielseitig einsetzbaren, rückstandsfreien Siloxan-Formulierungen reinigen einfach Elektronbaugruppen mit Flußmittelrückständen, Lotpastenresten, organischen Rückständen, ionischen Verunreinigungen, Schutzbeschichtungen auf Silicon-Basis, Adhesiven, Fetten und Ölen. Siloxane entfernen zudem auf einfache Weise auch ausgehärtete Silicon-Schutzbeschichtungen sowie Silicon-Klebstoffe. Der Reiniger läßt zwar kurzzeitig Siliconschläuche aufquellen, jedoch ohne deren elastische Eigenschaften zu beinträchtigen.
Siloxane sind auch sicher anwendbar auf Elektronikbauteilen. Als ein praktisch "universeller" Reiniger greifen sie weder Substrate, übliche Materialien, Steckverbinder oder Komponenten (ausgenommen jene mit Silicon-Umhüllung) an. Insbesondere in Reparaturabteilungen und Werkstätten, die mit vielen unterschiedlichen Materialien umgehen müssen, sind sie zur Reinigung sehr beliebt. Typischerweise trocknen diese Flüssigkeiten rasch, hinterlassen keine Rückstände und fördern nicht die Oxidation.
Doch sind Reiniger auf Siloxan-Basis nicht absolut perfekt. Sie sind leicht entzündlich mit einem Flammpunkt, der dem von Isopropylalkohol entspricht. Damit können sie in Reinigungsmaschinen nicht verwendet werden. Außerdem können einige Formulierungen nicht äußerst hartnäckig haftende Flußmittel aus Bleifrei-Prozessen restlos entfernen, in denen mit sehr hohen Temperaturen gelötet wurde. Hier muß dann ein andere Reiniger eingesetzt werden.
Schritt Zwei: Die Auswahl eines neue Treibmittels
Aerosol-Produkte geht immer noch der unverdiente Ruf als umweltschädlich voraus. Die heutigen Aerosole für die Elektronikindustrie sind allerdings nachweisbar so innovativ entwickelt worden, daß sie den Umweltschutzauflagen entsprechen. Im Gegensatz zu Aerosol-Konsumartiklen sind sie zudem ziemlich kostspielig und werden deshalb nur in unentbehrlichen industriellen Prozessen verwendet.
Mit das wichtigste noch verbleibende Problem bei der Verarbeitung von industriellen Aerosol-Produkten sind die Treibmittel zum Aufbringen des Materials. In der Vergangenheit wurden hauptsächlich ozonschädliche Treibmittel (FCKWs) eingesetzt, denn sie waren in der Anwendung sicher und nicht brennbar. Doch nachdem diese Chemikalien nicht mehr verwendet werden durften, wurden nicht-entflammbare Treibmitteln und sogar Kohlendioxid als Treibgas eingesetzt. Doch alle diese Alternativen weisen erhebliche Begrenzungen auf, die auf die chemische Kompatibilität, die Materialphysik, Sicherheitsvorschriften, wirtschaftlichen Überlegungen oder die Anforderungen von speziellen Applikationen zurückzuführen sind.
Nun führen einige Unternehmen eine neuen Gattung von Treibmittel ein, es handelt sich um HFO (Hydro-Fluoro-Olefin). Die Chemikalie scheint ein ausgezeichneter Ersatz für veraltete Treibmittel zu sein, jedoch ohne deren Probleme im Handling und Gebindeform, die entzündliche Stoffe mit sich bringen. Doch am bemerkenswertesten ist, daß der Einfluß auf den Klimawandel um 99,9 % reduziert wird ohne die anderen Charakteristiken wie Entflammbarkeit, Geruchsentwicklung oder Reinigungswirkung zu verschlechtern.
Einige große Chemiekonzerne gehen nun daran, HFOs oder ähnliche Treibmittel im großen Stil zu kommerzialisieren. Einige Unternehmen, einschließlich MicroCar, bieten deshalb kleinere Gebinde von Elektronikreiniger mit dem neuen HFO-Treibmittel an, sowohl um den Markt zu testen als auch den Kommerzialisierungsprozeß zu untermauern. Inzwischen haben unterschiedliche Regulierungsgremien die HFO-Materialien zum Einsatz in Europa und Nordamerika freigegeben. Zwar ist der Preis dieser Chemikalie derzeit noch höher als jener der früheren Treibmittel, doch werden mit zunehmenden Produktionsvolumen Kostensenkungen erwartet. Erfahrene und verantwortliche Fertigungsingenieure, die Ausschau halten nach ökologisch akzeptierbaren Reinigern für manuelle Anwendung, werden auch der Frage nachgehen, welcher Hersteller die neueste Treibmittel-Technologie einsetzt, um seine führende Position in der Industrie abzusichern.
Schritt Drei: Auswahl einer neuen Dosiereinrichtung
Als bewährte Anwendungstechnik in der manuellen Reinigung galt für viele Jahre ein Prozeß, der aus Eintauchen der Elektronikbaugruppe in die Reinigerlösung und dem anschließenden Beseitigen der gelösten Reste bestand (Dip-and-Brush). Man hat hier mit einem kostengünstigen Reiniger gearbeitet - in der Regel Isopropylalkohol - sowie einer einfachen, billig hergestellten Flasche mit Pumpe und Pinsel womit die Flüssigkeit auf die Baugruppe aufgebracht wurde. Doch nun ist es für die Fachleute an der Zeit sich einzugestehen, daß diese antiquierte Anwendungstechnik wirklich einer vergangenen Zeit angehört.
Die Lösung für diese anwendungstechnische Aufgabe kommt in Form von gut kontrollierbaren Dosiersystemen, die einfach auf die Aerosol-Gebinde aufgebracht werden. Verschiedene Hersteller liefern solche handlichen Dosierer und mit allen sind rasche und bessere Reinigungsprozeduren möglich, wobei viel weniger Abfall entsteht als bei der Dip-and-Brush-Methode. Damit kann ein wirklich klarer und sauberer manueller Reinigungsvorgang in vier Schritten realisiert werden: Aufbringen der Lösung, Abreiben der Reste, Spülen und Trocknen. Dieser Prozeß läßt sich sehr leicht dokumentieren und standardisieren, natürlich entsprechend ISO und anderen Vorgaben, wobei auch noch die Qualität und Zuverlässigkeit der Baugruppe aufgebessert werden.
Es ist nachgewiesen, daß die Mitarbeiter mit solchen gut kontrollierten Dosiereinrichtungen deutlich weniger Reiniger benötigen. Die damit aufgebrachte Flüssigkeit ist stets frisch und nicht verunreinigt, zudem wird sie gezielt nur auf jene Stellen gesprüht, auf denen sie benötigt wird. Hält sich der Mitarbeiter an die Arbeitsvorgaben, wird nicht zuviel Mittel aufgesprüht, schon gar nicht jene großen Mengen, die übliche Spraydosen abgeben, die unter hohem Druck stehen und schlecht dosierbar sind. Außerdem müssen nicht fortlaufend größere Mengen einer verunreinigten Flüssigkeit entsorgt werden wie beim Eintauch-Prozeß.
Deutlich wird, es gibt mit diesen Dosiereinrichtungen wesentlich weniger Abfall, nicht nur beim Applizieren, sondern auch bei der Nutzung der Gebinde. Jeder hat es schon einmal erlebt: eine Spraydose mit Farbe, mit Haarpfleger oder ähnlichem läßt sich nicht völlig entleeren und ein nennenswerter Rest bleibt einfach ungenutzt zurück. Auch diese Problematik ist mit einer gut kontrollierbaren Dosiereinrichtung bestens gelöst. Einige Anbieter solcher Dosiersysteme garantieren sogar, daß man damit die Aerosol-Gebinde wirklich völlig entleeren kann. Damit muß keine teuer eingekaufter, nicht nutzbarer Reinigerrest dann auch noch teuer entsorgt werden. Und natürlich lassen sich völlig entleerte Gebinde sinnvoll und ohne großen Kostenaufwand dem üblichen Recyclingprozeß zuführen.
Abschließend läßt sich klar feststellen, daß solche Dosierer unübersehbare Vorteile bieten. Die Reinigung größerer Baugruppen-Fertigungsvolumen mit weniger Aerosoleinsatz führt zu deutlichen Kostenreduzierungen im Vergleich zur alten Methode. Außerdem wird damit eine hohe Fertigungsqualität abgesichert, und auch die Vorteile für die Umwelt wegen reduziertem Reinigereinsatz sind sehr beachtenswert.
Fazit
Die neuen Formulierungen zusammen mit den gut kontrollierbaren Dosiereinrichtungen stellen in der Elektronikfertigung bei der manuellen Reinigung einen Durchbruch dar: sowohl in der erzielbaren Reinigungswirkung als auch dem Umweltschutz. Dabei handelt es sich um bewährte Anwendungstechniken, die den strengen regulatorischen Zulassungen entsprechen, und sicher für Mensch und Umwelt mit hoher Reinigugnswirkung einzusetzen sind. Keinesfalls handelt es sich hier um eine kurzfristige Verlegenheitslösung, bei der Anwender ein nicht abschätzbares Risiko eingehen aufgrund von nicht vorhersehbaren regulatorischen Komplikationen.
Neue gesetzliche Regelungen im Umwelt- und Arbeitsschutz bringen zwar für die Produktionsfachleute größere Belastungen mit sich, doch stellen sie auch eine wichtige Gelegenheit dar, Fertigungsprozesse neu zu überdenken. Hier sind die Fertigungsspezialisten auch gehalten, solche Anbieter von Chemikalien auszuwählen, die die international gültigen regulatorischen Beziehungen völlig verstehen und für ihre Kunden jene Lösungen entwickeln, die mit diesen auch übereinstimmen. Innovative und global tätige Lieferanten, welche die Herausforderungen des Umweltschutzes adäquat angenommen haben, unterstützen ihr internationalen und regionalen Kundenkreise im Verständnis und der Implementation der regulatorischen Auflagen. Zudem gehen solche Lieferanten auch noch einige Schritte weiter und überprüfen im Rahmen ihrer Forschung und Entwicklung neue Prozeßtechniken und helfen damit auch, die Kosten weiterhin im Griff zu halten.
