Methoden zur Langzeitkonservierung elektronischer Komponenten (electronica: A6.157)

Ersatzteile: Jederzeit betriebsbereit

Um den höchstmöglichen Schutz von Ersatzteilen zu ermöglichen, erfolgt die Konservierung in einer besonderen Atmosphäre
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Erfahrungen und Analysen zeigen, dass herkömmliche Lagerungsmethoden wie klassische Dry-Packs oder mit Stickstoff gefüllte Beutel keinen umfassenden Schutz elektronischer Ersatzteile während der Langzeitlagerung bieten. Umfangeichen Studien zeigen auch, dass zum Teil recht komplexe Mechanismen ursächlich an der internen und externen Alterung beteiligt sind. Mit Hilfe einer speziellen Langzeitkonservierung kann die Ersatzteilversorgung auch längerfristig sichergestellt werden.

Viele Unternehmen beklagen die äußerst negativen Erfahrungen, die sie aufgrund von Last Buy`s und Product-Changes bei langfristig benötigten Komponenten gesammelt haben; sie lassen sich oft schon nach einiger Zeit kaum noch prozesssicher und reproduzierbar verarbeiten. Bei der Herstellung elektronischer Bauteile kommen sowohl bei der Verklebung und Fixierung der Halbleiter als auch bei der Herstellung der Gehäusemassen ein- oder zweikomponentige harzhaltige Kleber zum Einsatz. Diese Harze emittieren im Verlauf einer Langzeitlagerung verschiedenste Inhaltsstoffe. Selbst in einer vakuumisierten Verpackung (z.B. bei Dry-Packs) forcieren diese Schadstoffe in Verbindung mit Feuchte und Restsauerstoff auch unter dem Einfluss minimalster Sauerstoffdiffusion durch Umverpackungs- und Gehäusematerialien die externe und interne langfristige Oxidation, woraus die Notwendigkeit eines Absorp- tionsverfahren für Schadstoffe resultiert. Ein von der Firma HTV entwickeltes Verfahren zur Langzeitkonservierung definiert ein auf den jeweiligen Warenzustand abgestimmtes Absorptionsverfahren und verhindert damit nachhaltig Entstehung und Fortschreiten von Oxidations- und Korrosionsprozessen.

Diffusion lässt sich nicht stoppen
Eine wesentlich kritischere Alterungsursache für elektronische Komponenten in Ersatzteilen der industriellen Automation sind die Diffusionsvorgänge, die die Weiterverarbeitung erschweren und die Zuverlässigkeit vermindern. Bei der Diffusion wandern Atome einer Oberflächenbeschichtung (z.B. Zinn) kontinuierlich in ein Trägermaterial (z.B. Kupfer), was beispielsweise zur Alterung von Lötstellen führt. Ein solcher atomarer Platzwechsel erfordert die Überwindung einer sogenannten Aktivierungsenergie. In Konsequenz dieser Zusammenhänge und Mechanismen ist ersichtlich, dass Verfahren zur dauerhaften Konservierung von Ersatzteilen und somit die deutliche Reduzierung des sogenannten intermetallischen Phasenwachstums nur in Verbindung mit einer Erhöhung von Aktivierungsenergien zu erreichen ist. Dieses ist ebenfalls ein Kernelement des von HTV entwickelten Verfahrens.
Whisker mit hoher Brisanz
Vergleichbare langfristige Prozesse finden jedoch auch im Innern der Teile statt. Betrachtet man deren Aufbau, die Produktionsprozesse und die Funktionalität elektronischer Komponenten, so erklärt sich, dass die Zuverlässigkeit im Rahmen einer Langzeitlagerung kritisch zu bewerten ist. Durch Restsauerstoffgehalte in Verbindung mit geringen Feuchte- und Schadstoff-Anteilen in Dry-Packs und Gehäusen ausgelöste Prozesse bewirken eine Oxidationen von Leiterbahnen und Isolationsschichten. Interne Diffusionsprozesse können zudem minimalste Leckströme erzeugen, die im späteren Betrieb die Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Bauteile reduzieren.
Im Rahmen der Umstellung auf bleifreie Lote bekam die Thematik der Whisker-Bildung eine neue Bedeutung. Das beschleunigte Wachstum feinster Zinn-Nadeln kann Kurzschlüsse zwischen Bauteilanschlüssen erzeugen und damit zu Fehlfunktionen und Bauteilschäden führen. Die Ursachen für derartige Wachstumsvorgänge liegen in den mechanischen Spannungen innerhalb der auf den Bauteilanschlüssen aufgebrachten Zinnschichten begründet. Diese Spannungen resultieren aus Korrosions- und Oxidationsprozessen der Zinnoberflächen sowie den mechanischen Biege- und Formprozessen von Anschlusspins und einem intermetallischen Phasenwachstum (Diffusionsprozesse). Die höchste Geschwindigkeit dieses Whisker-Wachstums liegt in einem Temperaturbereich von 50 bis 90°C und einer Luftfeuchte von über 75%.
Baugruppen- und Gerätealterung
Einen weiteren Schwerpunkt bei der Verfügbarkeits-Diskussion länger gelagerter Komponenten bilden komplette Baugruppen und Geräte. Neben den zuvor beschriebenen Alterungsprozessen der Bauteile gelten aufgrund der gewaltigen Typenvielfalt und Kombinatorik wesentlich erweiterte Kriterien, um eine dauerhaft wirksame Produkterhaltung abzusichern. Hierbei müssen zum Beispiel auftretende Datenverluste in Speicherbausteinen und die Kapazitätsverluste von Kondensatoren nachhaltig vermieden werden. Alterungseffekte beim Einsatz der zahlreichen differenten passiven Bauteile sowie Alterungseffekte von Operationsverstärkern, Optokopplern, AD-Wandlern, Relais, u.ä. sind ebenfalls zu betrachten.
In Verbindung mit den bereits beschriebenen Mechanismen und Verfahren ist es ein Grundgedanke des Lösungsansatzes von HTV, dass bestromte Komponenten wesentlich resistenter und zuverlässiger arbeiten, als nur sporadisch und selten genutzte Baugruppen und Geräte. Hier zeigt sich bereits, dass eine realistische, wirtschaftlich vertretbare und effektive Lösung nur in enger Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber umgesetzt werden kann.
Aufgrund der durchgeführten Studien und Analysen sowie den hieraus resultierenden Verfahren zur Langzeitkonservierung elektronischer Komponenten und Baugruppen ist HTV in der Lage, die beschriebenen Alterungsprozesse massiv zu bremsen. Anhand eines speziellen thermisch-absorptiven Begasungsverfahrens werden Korrosions- und Oxidationsbildung nahezu vollständig und auch langfristig verhindert, das intermetallisches Phasenwachstum deutlich reduziert und die Gefahr einer Whisker-Bildung während der langjährigen Konservierung minimiert. Kern des Verfahrens ist eine zuverlässige Kombination differenter Konservierung-Verfahren. Die bekannten Stickstoffverfahren bieten aufgrund der umfassenden Erfahrungen bei HTV nur für einen Zeitraum von 1 bis 3 Jahren eine gewisse Sicherheit.
Langzeitkonservierung von Ersatzteilen
Um universell auf die Art, Zusammensetzung und den Zustand elektronischer Bauteile und Geräte zu reagieren und die notwendigen Konservierungsparameter eindeutig festlegen zu können, erfolgt bei Warenanlieferung eine detaillierte und umfangreiche Warenbewertung. Neben der Evaluierung des visuellen Warenzustandes erfolgen unterschiedlich komplexe Untersuchungen, die gezielte Aussagen und Bewertungen bezüglich der angeführten Alterungsmechanismen und eine optimierte Abstimmung des thermisch-absorptiven-Begasungsverfahrens ermöglicht. Die mit dem Kunden offen kommunizierten Ergebnisse dieser Eingangsbewertung sowie die zyklische Fortführung dieser gesamten Bewertungsmethodik bieten eine notwendige und langfristige Sicherheit. Um einen höchstmöglichen Schutz der Komponenten und Ersatzteile zu ermöglichen, erfolgt die Konservierung in einer Atmosphäre, die jegliche Entstehung eines Brandes verhindert und keinen Einfluss auf Absorptions- und Konservierungsprozesse hat.
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PRAXIS PLUS
HTV ist Spezialist für Test, Programmierung und Konservierung elektronischer Komponenten. Da in Zeiten intensivsten Wettbewerbs der Erfolg von Unternehmen entscheidend von der Qualität seiner Produkte abhängt, ist die einwandfreie Funktionalität elektronischer Baugruppen auch über einen längeren Zeitraum zwingend erforderlich. Wichtig ist es, die Einzelkomponenten so zu optimieren, dass später die gesamte Baugruppe dauerhaft fehlerfrei und zuverlässig arbeitet. Als strategischer Partner bietet HTV ein ganzheitliches Logistikkonzept, das auch flexible Lieferoptionen beinhaltet. Ist es notwendig, elektronische Komponenten beispielsweise für die Ersatzteilversorgung besonders lange aufzubewahren, findet ein spezielles Konservierungsverfahren Anwendung.

HTV ist Spezialist für Test, Programmierung und Konservierung elektronischer Komponenten. Da in Zeiten intensivsten Wettbewerbs der Erfolg von Unternehmen entscheidend von der Qualität seiner Produkte abhängt, ist die einwandfreie Funktionalität elektronischer Baugruppen auch über einen längeren Zeitraum zwingend erforderlich. Wichtig ist es, die Einzelkomponenten so zu optimieren, dass später die gesamte Baugruppe dauerhaft fehlerfrei und zuverlässig arbeitet. Als strategischer Partner bietet HTV ein ganzheitliches Logistikkonzept, das auch flexible Lieferoptionen beinhaltet. Ist es notwendig, elektronische Komponenten beispielsweise für die Ersatzteilversorgung besonders lange aufzubewahren, findet ein spezielles Konservierungsverfahren Anwendung.
Da auch elektronische Komponenten und Baugruppen einem komplexen Alterungsprozess unterliegen, ist es unerlässlich, Ersatzteile über einen längeren Zeitraum besonders geschützt aufzubewahren. Das Fachbuch „Zuverlässigkeit von Elektronik- und Mikrosystemen“ von Hans Eigler beschreibt die physikalisch-chemischen Zusammenhänge der Alterungsprozesse elektronischer Komponenten und berücksichtigt auch die Erkenntnisse der Metallkunde (ISBN 3816921590.

eA-INFO-TIPP
Da auch elektronische Komponenten und Baugruppen einem komplexen Alterungsprozess unterliegen, ist es unerlässlich, Ersatzteile über einen längeren Zeitraum besonders geschützt aufzubewahren. Das Fachbuch „Zuverlässigkeit von Elektronik- und Mikrosystemen“ von Hans Eigler beschreibt die physikalisch-chemischen Zusammenhänge der Alterungsprozesse elektronischer Komponenten und berücksichtigt auch die Erkenntnisse der Metallkunde (ISBN 3816921590):
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