Klimaschonende Stickstoffproduktion für die Elektronikfertigung

EPP Elektronik Produktion Prüftechnik 03-04 2022

Eigene Erzeugung von Stickstoff für höhere Flexibilität

Stickstoff (N2) ist wesentlicher Rohstoff in Lötverfahren zur Produktion von hochqualitativen THT-Bauteilen. Die N2-Erzeugung bietet eine Möglichkeit, das Inertgas kostengünstig und zudem umweltfreundlich selbst herzustellen. AME, ein Hersteller hochwertiger Elektronikprodukte aus den Niederlanden, erzeugt seinen Stickstoff nachhaltig und reduziert so seinen CO2-Fußabdruck. Möglich ist dies durch die Verwendung innovativer PSA- und Wasserstofftechnologien sowie moderner Wärmerückgewinnungs-Techniken in Kombination mit grünem Strom.   

Das Unternehmen Applied Micro Electronics, kurz AME, fertigt mit rund 250 Mitarbeitern elektronische Komponenten und Produkte in den Bereichen Leistungsumwandlung, Internet der Dinge und Sensorik. Die hochwertigen Bauteile kommen z. B. in Windrädern, Elektroautos und Haushaltsgeräten zum Einsatz. Entsprechende THT-Baugruppen werden von AME bei Eindhoven im Rahmen des Selektiv- Lötverfahrens hergestellt. Seit der Umstellung auf bleifreie Lote im Jahr 2006 wurde hierfür im Werk des Unternehmens erstmals Stickstoff im Rahmen der Zulieferung von Flüssig-Stickstoff (LIN) verwendet, um die notwendige Schutzatmosphäre während des Lötvorgangs zur schaffen. Die Nutzung von Flüssigstickstoff erforderte die Installation eines Tanks für dessen Lagerung. Da die Produktion und der entsprechende LIN-Verbrauch seither stark gewachsen sind, wurde der Stickstoff in immer engeren Abständen per Lkw angeliefert, zuletzt jede Woche. Das Limit war erreicht. Die Möglichkeit, die Tank-Kapazitäten zu erhöhen, wurde nicht weiterverfolgt. Teure Baumaßnahmen sowie ständige Überwachungs-, Planungs- und Einkaufsprozesse zur Verhinderung von Stickstoffengpässen wollte man in jedem Fall vermeiden. Auch regelmäßige Lkw-Fahrten sowie eine damit verbundene CO2– und Feinstaubbelastung für die Umwelt sollten im Sinne der Nachhaltigkeit reduziert werden.

Umweltfreundliche Alternative:
Stickstoff-Eigenerzeugung mit H2

Eine alternative Lösung für die Stickstoffversorgung wurde gesucht und so rückte die Eigenerzeugung von Stickstoff direkt vor Ort mit Hilfe von Generatoren in den Blick. Der entscheidende Tipp kam schließlich von der Firma Kurtz Ersa, die den Elektronikhersteller mit ihren hochwertigen Selektivlötanlagen beliefert.

Zudem kooperiert Ersa seit Jahren mit Inmatec GaseTechnologie, einem führenden Hersteller von Stickstoff- und Sauerstoffgeneratoren, um ihren Kunden die Schutzgasbereitstellung für verschiedene Lötverfahren aus einer Hand zu bieten. Die Inmatec Produkte sind nahtlos integrierbar in allen Selektiv-, Wellen- oder Reflow-Lötverfahren und sorgen hier für eine unterbrechungsfreie N2-Versorgung.

Das im März 2021 installierte System umfasst einen Stickstoffgenerator des Typs PNC 9000 ConNect sowie einen Wasserstoffkatalysator (H2kat 40). Der Generator erzeugt als erste Produktstufe ca. 40 m³ Stickstoff pro Stunde mit einer Reinheit von 99,9 %. Dies geschieht mit Hilfe der PSA (Pressure Swing Adsorption) Technologie, die Sauerstoff und CO2 in zwei Drucklastwechsel-Behältern aus der Umgebungsluft adsorbiert. Moderne Durchströmungs- und Verwirbelungstechnik der PNC-Modellreihe erleichtert diesen Vorgang und benötigt hierfür deutlich weniger Druckluft als gängige Technologien. Der gewonnene Stickstoff wird anschließend im Wasserstoffkatalysator mit Kleinstmengen von Wasserstoff (H2) angereichert. Durch katalytische Reaktion zwischen Wasserstoff und Restsauerstoff wird die Stickstoffqualität auf 99,999 % gesteigert. Durch dieses innovative Verfahren wird hochreiner Stickstoff mit einem extrem geringen Druckluftfaktor von 3,0 erzeugt (Druckluftverbrauch von 120 m³ pro Stunde). Durch diese zweistufige Prozessführung wird in erheblichem Umfang der Stromverbrauch für die Druckluftbereitstellung reduziert.

Zum Vergleich: Die N 2-Erzeugung mit herkömmlichen PSA-Generatoren weist einen Druckluftfaktor von 10–14 auf. Moderne Generatoren, die über die PNC Technologie von Inmatec verfügen, benötigen hingegen 6,7 bis 7,2 m³ Druckluft zur Erzeugung von 1m³ Stickstoff. Durch die Verwendung der PNC Technologie unter Hinzunahme der H2Kat-Wasserstofftechnologie Wasserstofftechnologie verringert sich dieser Faktor auf 2,9 bis 3,5. Druckluftverbrauch und entsprechender Stromverbrauch lassen sich so um bis zu 80 % senken.

Wärmerückgewinnung und grüner Strom

Doch es geht noch besser. Der Elektronikhersteller verwendet in seinem Werk ausschließlich nachhaltig erzeugten, grünen Strom, der aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Darüber hinaus wird die im N2-Erzeugungsprozess entstandene Wärme 1:1 werksintern wiederverwendet. Die elektrische Leistung, die für die Drucklufterzeugung benötigt wird, wird auch in Abwärme umgewandelt. Das gelieferte Komplettpaket zur Stickstofferzeugung umfasst neben Generator, Wasserstoffkatalysator und Druckluftkompressor auch ein System zur Warmluft-Wärmerückgewinnung. Die erwärmte Luft, die zur Kühlung des Kompressors angesaugt wird, wird über einen Abluftkanal nach oben abgeleitet und in die Lagerräume weitergeleitet. Hier wird die Abwärme zur Beheizung der Räumlichkeiten genutzt, fossile Brennstoffe für diesen Vorgang werden zu 100 % substituiert.

Die jährlichen Einsparungen, die damit realisiert werden können, sind enorm. Für die Lötanlagen, die an 5 ½ Tagen pro Woche je 24 Stunden in Betrieb sind, werden im Vergleich zur N2-Erzeugung mit einem konventionellen Stickstoffgenerator statt 247.000 KWh nur 74.000 KWh Strom verbraucht. Die jährliche CO2-Einsparung beträgt 93 Tonnen.

„Die Lösung zur N2-Versorgung über ein zweistufiges Verfahren aus PSA- und Wasserstofftechnologie kam genau zum richtigen Zeitpunkt. Wir können grüne Energie nutzen, um Stickstoff zu erzeugen und die Abluft zur Beheizung unseres Lagers nutzen. Im Ganzen ist das eine viel besser skalierbare Lösung. Wir können in Zukunft unsere Lötanlagen erweitern, ohne weitere große Tanks auf unserem Firmengelände bauen zu müssen. Darüber hinaus können wir die N2-Reinheit problemlos an den jeweiligen Lötprozess anpassen“, so Joep Daemen, Manager Factory Innovations & Investment bei Applied Micro Electronics.

Skalierbarkeit und hohe Reinheit

Der selbsterzeugte Stickstoff wird im Rahmen sämtlicher Lötverfahren beim Elektronikhersteller eingesetzt. So auch in den drei Versaflow-Lötanlagen im THT-Bereich, wo das Schutzgas für die insgesamt 18 Tiegel bereitgestellt wird. Der Stickstoff verhindert so Oxidationen der Lötstellen und gewährleistet qualitativ hochwertige Lötverbindungen. Krätzebildung, die Entstehung von Whiskern sowie aufwendige Nacharbeiten gehören der Vergangenheit an.

Der selbsterzeugte Stickstoff besitzt den Vorteil, dass die Reinheit für jeden Prozess anpassbar ist. Für Selektivlöten wird eine hohe Reinheit von 99,999 % benötigt. Das Aufschmelzlöten, das im Werk immer wichtiger wird, arbeitet hingegen mit weniger hohen Reinheiten (99,95–99,99 %), dafür aber mit höheren Volumenströmen. Das N2 -Erzeugungssystem von Inmatec ist nach Belieben skalierbar und kann so auch in Zukunft die benötigte N2-Menge bereitstellen.

Veröffentlicht im EPP Magazin 03-04 2022
sowie unter www.epp.industrie.de, www.konradin-service.de/pdfarchiv/specials/share (Seite 34 ff.)

Fotos: © Inmatec