19 juin 2018 | Oberflächen POLYSURFACES 01/2018 | Nettoyage

Höchste Reinheitsanforderungen in der Serienfertigung erfüllen

Doris Schulz

Les exigences concernant la propreté particulière au domaine micrométrique, voire inférieur, ainsi que celles relatives à la propreté des films, sont aujourd’hui à l’ordre du jour dans différentes branches. Ces valeurs qui doivent être respectées pour assurer la fabrication en série présupposent des solutions de nettoyage parfaitement adaptées.

In Branchen wie Halbleiterindustrie, Messtechnik, Feinwerk- und Mikrotechnik sowie Optik sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Bauteilen und Komponenten enorm gestiegen. Aus dem Trend zur Miniaturisierung und Funktionsintegration resultieren einerseits immer komplexere Geometrien. Andererseits werden durch neue Entwicklungen beispielsweise bei Wafersteppern und -scannern für die EUV-(extrem ultraviolette Strahlung-)Lithografie hochpräzise, geometrisch komplizierte, mechanische Bauteile deutlich grösser und schwerer. «Die Durchmesser liegen bei diesen Teilen, die aus unterschiedlichsten Materialien wie beispielsweise VA-, Kupfer- und Aluminium-Legierungen, Hartmetall, Zerodur, Keramik und Kunststoffen gefertigt werden, inzwischen im Bereich von 0,5 bis 1500 mm. Das Gewichtsspektrum reicht von unter einem Gramm bis zu 500 Kilogramm», berichtet Volker Lehmann, Leiter des Produktbereichs für Präzisionsanwendungen in der Ecoclean-Gruppe.

Gemeinsam haben jedoch alle Werkstücke, dass bei der Bauteilreinigung signifikant höhere Sauberkeitsanforderungen zu erfüllen sind. Dies betrifft sowohl partikuläre Verunreinigungen als auch filmische Rückstände, Flecken und Verfärbungen sowie je nach Branche biologische und ionische Kontaminationen. Lag beispielsweise die maximal zulässige Partikelgrösse in der nicht allzu fernen Vergangenheit bei <5 bis 150 µm sind heute Sauberkeitswerte im einstelligen Mikrometerbereich und darunter zu erreichen. Entscheidende Reinheitskriterien sind jedoch vor allem Ausgasungsgrenzwerte von organischen und anorganischen flüchtigen Verunreinigungen im Atomprozentbereich. Es liegen dafür Grenzwerte in Abhängigkeit der Bauteilewerkstoffe vor.

Sehr hohe Sauberkeitsanforderungen bei unterschiedlichsten Bauteilen und Komponenten erfordern eine optimal abgestimmte Anlagen- und Prozessauslegung. (Bilder: Dürr Ecoclean GmbH/UCM AG)

Entwicklung kompletter Reinigungsprozesse

Basis, um diesen hohen Anforderungen in der Serienfertigung stabil und wirtschaftlich gerecht zu werden, ist üblicherweise eine Mehrkammer-Ultraschallreinigungsanlage mit 8 bis 12 Nassstufen sowie einer oder auch mehreren auf Werkstoffe und Verunreinigungen angepassten Reinigungschemikalien. Standard ist bei diesen Feinstreinigungsanlagen der Einsatz von Mehrfrequenz-Ultraschallsystemen, bei denen Frequenz und Intensität des Ultraschalls flexibel an die Reinigungserfordernisse unterschiedlicher Werkstücke angepasst werden.

«Im Rahmen der Prozessentwicklung werden die Prozessparameter wie Temperaturen, Ultraschallfrequenzen und Behandlungszeiten auf die zu reinigenden Teile sowie die zu entfernenden Verunreinigungen abgestimmt. Festgelegt werden dabei zudem weitere für einen guten Medienaustausch auch in Sacklochbohrungen, Kapillaren und Hinterschneidungen erforderlichen verfahrenstechnischen Massnahmen», erklärt Volker Lehmann. Dazu kommt die Trocknung, die entsprechend der Komplexität und Wärmeaufnahmefähigkeit der Bauteile als reine Vakuumtrocknung oder kombiniert, beispielsweise mit einer vorgeschalteten Infrarottrocknung, ausgeführt wird. Die für die Prozessentwicklung notwendigen Reinigungsversuche führt der Anlagenhersteller im eigenen Technikum mit definierten Referenzbauteilen durch.

Durch die Teileaufnahmen darf es zu keiner Abschirmung der zu reinigenden Bauteile und zu keiner Medienverschleppung kommen.

Teileaufnahmen, die die Reinigung unterstützen

Ein Aspekt der ebenfalls in die Prozessentwicklung einfliesst ist die Gestaltung teilespezifischer Aufnahmen wie Dreh-, Schwenk- und statische Gestelle. Wichtig dabei ist, dass es durch die Aufnahmen zu keiner Abschirmung der zu reinigenden Bauteile kommt und Medienverschleppungen vermieden werden.

«Um auch bei unterschiedlichen Teilen ein optimales Ergebnis in kurzer Zeit zu erzielen, sollte die Dreh- oder Schwenkmechanik einstellbare Geschwindigkeiten und Positionen ermöglichen. Eine der Bauteilgeometrie angepasste Positionierung zusammen mit der geeigneten Mechanik im Bad unterstützt den Medienaustausch, beispielsweise in Sacklochbohrungen», ergänzt Volker Lehmann. Ein Muss bei Teilaufnahmen für hochreine Teile ist, dass sie keinerlei Beschädigungen oder Partikel an den Werkstücken verursachen sowie «abriebfreie» Bewegungen gewährleisten.

Eine bestmögliche laminare Luftströmung in der Anlage lässt sich nur durch eine geeignete Absaugung realisieren, beispielsweise durch einen perforierten Boden.

Anlagentechnik auf hohe Reinheit auslegen

Neben der Prozessgestaltung und der Teileaufnahmen hat die Ausführung des Reinigungssystems einen entscheidenden Einfluss darauf, wie gut und zuverlässig die hohen Reinheitsgrade erreicht werden. So sorgt der von UCM entwickelte Vierseitenüberlauf dafür, dass die Reinigungs- beziehungsweise Spülmedien in allen Becken von unten eingebracht und nach oben transportiert werden und dann an allen Seiten überlaufen. Dadurch entsteht in den Becken eine permanente Strömung, die einerseits eine intensive Behandlung der Teile gewährleistet. Das grosse Volumen ermöglicht andererseits, dass die abgereinigten, sehr kleinen Partikel und anderen Rückstände sofort aus den Becken ausgetragen werden und dadurch eine Rückkontamination der Teile beim Austauchen beziehungsweise Umsetzen ausschliessen. «Darüber hinaus gilt es, alle Anlagenkomponenten strömungsoptimiert zu gestalten, so dass sich keine Schmutznester bilden können», führt Volker Lehman weiter aus.

Daher weisen Becken und Tanks keine Ecken auf, in denen sich Schmutz ansammeln könnte. Die Rohrleitungen bestehen bei den Anlagen für hochreine Anwendungen teilweise aus Polyvinylidendifluorid (PVDF). Der Hochleistungskunststoff zeichnet sich durch eine hohe Abriebfestigkeit und chemische Beständigkeit sowie sehr glatte Oberflächen aus, an denen sich nichts festsetzen kann. Um wulst- und nutfreie Verbindungen herzustellen, werden PVDF-Rohre im WNF-Verfahren verschweisst. Die Verlegung erfolgt ohne 90°-Bögen und mit Gefälle. Dies sorgt dafür, dass die Leitungen immer leer laufen und sich kein Stagnationswasser bildet.

Besondere Anforderungen werden auch an die Ausführung der Transportautomaten gestellt. Es geht dabei in erster Linie um einen abriebfreien Betrieb, der sicherstellt, dass kein Schmutz in die Bäder gelangt. Umsetzen lässt sich dies entweder durch ein unterhalb der Badoberfläche platziertes Transportsystem oder eine entsprechend geschützte Verfahrenstechnik und den Einsatz reinraumtauglicher Komponenten wie beispielsweise Linearachsen.

Ein weiterer Punkt ist der Lufthaushalt in der Anlage. «Um eine laminare Luftströmung zu generieren, werden Flowboxen in das Dach der Anlage integriert. Allerdings wird dabei häufig vergessen, dass der Luftstrom auch auf die Badoberfläche auftrifft, was den Laminarflow unterbricht. Eine bestmögliche laminare Luftströmung in der Anlage lässt sich nur durch eine geeignete Absaugung realisieren, beispielsweise durch einen perforierten Boden», erklärt Volker Lehmann.

Ecoclean GmbH

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Volker Lehmann

Leiter des Produktbereichs für Präzisionsanwendungen

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