Das Universum der Baugruppen-Reparatur

Wie in jedem gängigen Universum gibt es auch in dem der Herstellung und Reparatur von elektronischen Baugruppen einige „Fixsterne“ und zahlreiche weitere „Himmelskörper“. Die gegenseitige Beeinflussung unterschiedlicher Parameter kann dabei beliebig komplex werden. Das Wissen um die tieferen Zusammenhänge erschließt sich nicht jedem Betrachter auf den ersten Blick. Ein Zentralgestirn bildet die Verbindung von Bauteilen und Leiterplatte. Darum kreisen verschiedene Einflussfaktoren, von denen einige in Bild 01 dargestellt sind.

Neben den Druck-, Platzier- und Lötprozessen, wie sie auch in der Elektronikfertigung vorkommen, gibt es bei der Reparatur weitere spezielle Einflussfaktoren. Das Leiterplattendesign und die Bestückung etwa sind relevant für die Dimensionierung der Entlöt- und Lötprofile. Aus jedem erfolgreichen Reparaturvorgang muss die Platine unbeschädigt und verzugsfrei hervorgehen. Die Umweltbedingungen, denen eine Baugruppe im Feld ausgesetzt war, zieht eine individuelle Alterung nach sich. Solche Baugruppen müssen vor der Reparatur gegebenenfalls getrocknet werden, um Restfeuchtigkeit zu minimieren. Wurde ein falsches Bauteil bestückt oder falsch platziert, ist der Austausch in jedem Fall zwingend. Eher selten ersetzt man das individuelle Bauteil nach dem Reballing. Anders verhält es sich bei einer zu kalten Lötung eines BGA oder bei Mikrorissen, die durch eine hohe thermische Belastung des Bauteils im Laufe seiner Nutzung aufgetreten sind. Hier kann das bestehende Bauteil in seiner Position verbleiben. Ein definierter Nachlötprozess setzt die Baugruppe wieder in Funktion. Dieses Verfahren bildet die Grundlage des Geschäftsmodells einiger Dienstleistungsunternehmen.

Bild 02: Röntgenaufnahme eines BGA mit Brückenbildung und vergrößerten Lotkugeln. Kurtz Ersa

Die Anwendungen – unendliche Weiten

Bei klassischen Reparaturanwendungen wie Ball Grid Array (BGA) sind es im Consumer-Bereich oft Ausfälle von Baugruppen durch thermische Schäden, die den Einsatz von Reworksystemen erfordern. Aber auch Produktionsprobleme sind möglich: So verursacht ein falsch dimensionierter Lotpastenauftrag eine Brückenbildung oder auch Größenanomalien der Lötanschlüsse bei einem BGA (Bilder 02 bis 04). Nachdem das BGA ausgelötet und ein neues Bauteil installiert wurde, ist im Röntgenbild deutlich sichtbar, dass der Reparaturprozess sogar Ergebnisse liefern kann, die dem ursprünglichen Herstellungsprozess überlegen sind.

Bild 03: Ersascope-Aufnahme eines BGA-Anschlusses mit zu großem Durchmesser. Kurtz Ersa

Das Spektrum der Reparaturaufgaben ist bei der Vielzahl heute verwendeter Bauteile ein schier unüberschaubares Feld. Die Bearbeitung reicht in der Praxis von Chip-Bauteilen der Größe 0201 bis zu SMT-Steckerleisten mit 120 mm Länge oder zweiteiligen Land-Grid-Array-Sockeln (Bauform LGA 3647).

Bei den „bottom terminated components“ (BTC) hält der Trend in Richtung feinerer Anschlussstrukturen bei den Bauformen BGA und MLF an. Neben diesen häufig auftretenden Bauteilformen finden sich kundenspezifische „systems on board“, die als Einheit von einem größeren Trägersubstrat entfernt werden müssen. Gerade für diese Aufgabe ist eine gleichförmige und großflächige Erwärmung der Baugruppe – auch von oben – entscheidend. Zur Bearbeitung sind also Systeme gefragt, die sehr einfach der jeweiligen Anwendung anpassbar sind. Mit wenig Expertenwissen oder Spezialteilen soll erfolgreich repariert werden. Zunehmend werden Reworksysteme heute im Prototypenbau, zum Systemupgrade und in der forensischen Technik eingesetzt.

Bild 04: Röntgenaufnahme des BGA nach der Reparatur mit dem Reworksystem XXX – keine Brücken, keine Durchmesseranomalien. Kurtz Ersa

Technik mit System

Ersa hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Herstellungsprozesse zusammen mit den Kunden zu optimieren. Bei der Reparatur geht es darum, die Einflussparameter zu beherrschen und damit die Zuverlässigkeit der Baugruppe zu optimieren. So setzt man bei Ersa auf eine homogene und kontrollierte Erwärmung der Baugruppe. Eine sensorüberwachte Temperaturregelung am Zielbauteil ist ebenso wichtig wie die kombinierte Hybrid-Heiztechnik aus Infrarotstrahlung und Konvektionsunterstützung. Die bestückten Platinen werden so schonend wie möglich erhitzt. Einzeln schaltende Heizzonen werden dabei dem jeweiligen Wärmebedarf gerecht und können individuell dosiert werden. So ist es möglich, mit der IR-Matrix-Heizung Platinen bis zu einer Größe von 625 mm x 625 mm nahezu verzugsfrei vorzuheizen. Bei dieser Technik lässt sich jedes einzelne von 25 Heizelementen während des gesamten Lötprozesses individuell einstellen.

Bild 06a und 06b: 6a: Matrix-Heizung des HR 600 XL mit 25 individuell einstellbaren Heizelementen und einem „hot spot“ unter dem Zielbauteil. Kurtz Ersa

Bild 6b Kurtz Ersa

Nicht nur der Wärmeprozess beim Löten wird hierbei vollständig automatisch gesteuert, auch das Platzieren von nahezu allen Arten von SMT-Komponenten erledigen die Systeme zum Teil vollautomatisch. Bildverarbeitungsalgorithmen übernehmen die Erkennung von Bauteilanschlüssen und Landeflächen und errechnen die ideale Absetzposition. Mit Flussmittel benetzt oder bereits mit dem korrekten Lotpastenvolumen bedruckt, wird das Zielbauteil anschließend mittels hochgenauer Positionierachsen platziert. Somit sind die Einflussparameter aus den Prozessen Platzierung, Pastenauftrag und Löten sicher abgebildet.

Bild 07: Ideale Erwärmung eines BGA-Bauteils bei der Reparatur mit möglichst geringen Temperaturunterschieden. Kurtz Ersa

Um Fehler durch den Anwender zu minimieren, unterstützen aktuelle Reworkstationen den Benutzer bei den übrigen Arbeitsschritten. Inzwischen können Reworksysteme auch in die kundenseitig vorhandenen MES-Strukturen (MES, kurz für Manufacturing Execution System) eingebunden werden. Es ist möglich, Arbeitsaufträge von einem MES zu empfangen. Diese werden mit Identifizierung von Baugruppe und Anwender abgearbeitet. Anschließend wird der Reparaturvorgang im MES mitsamt den zugehörigen Prozessdaten zurückgemeldet. Damit ist die Reparatur auch datentechnisch kein „schwarzes Loch“ mehr.

Wie das obige Beispiel zeigt, bleiben bei der Reparatur auch die Ersascope-Inspektionslösungen unverzichtbar. Lötfehler an verdeckten Lötstellen werden mit dem Ersascope begutachtet und dokumentiert. Ebenso werden in jeder Reparaturabteilung ergonomische und leistungsfähige Lötwerkzeuge benötigt. Mit der ESD-sicheren Einstiegsstation i-Con Nano beginnt das Ersa-Portfolio der professionellen Handlötsysteme. Es endet mit der mehrkanaligen i-Con Vario 4. Diese Station stellt dem Anwender vier zeitgleich nutzbare Lötwerkzeuge zur Verfügung. Eine Entlötpinzette und ein Heißluftlötkolben dienen der Bearbeitung feiner SMT-Komponenten. Mit dem Entlötkolben X-Tool Vario lassen sich beispielsweise die immer noch anfälligen Elektrolytkondensatoren in THT-Bauform auf älteren Platinen entlöten. Und das i-Tool stellt das universelle Lötwerkzeug für vielfältige Lötaufgaben dar. Im Zusammenhang mit der BGA-Reparatur hat sich die schonende Entfernung von Restlot mittels spezieller Lötspitzen für dieses Werkzeug bestens bewährt.

In enger Verbindung zu den Lötstationen und den Reworksystemen stehen die Lötrauchabsaugungen von Ersa. Für die Mitarbeiter ist es wichtig, schädliche, lungengängige Flussmitteldämpfe abzusaugen und zu filtern. Auch die Arbeitsgeräte selbst und die bearbeiteten Baugruppen werden so vor den säurehaltigen Substanzen geschützt. Im Zentrum der Reparatur steht neben der Baugruppe natürlich auch die handelnde Person. Für die Mitarbeiter und deren Arbeitserfolg ist es entscheidend, über eine qualifizierte Ausbildung zu verfügen. Das Wissen um Prozessparameter, Hilfsstoffe und Einflussfaktoren des Rework-Universums ist unerlässlich. Ersa bietet im Rahmen des Ausbildungsverbunds Löttechnik Elektronik (AVLE) entsprechende Schulungen vom Handlöten bis zum Rework und darüber hinaus an.

Bild 08: Mit den Hybrid-Rework-Systeme HR 200, HR 550 und HR 600/2 sowie HR 600 XL hält Ersa optimal aufeinander abgestimmte Lösungen für effizientes Rework von Mikro bis Makro bereit. Kurtz Ersa

Individuell und universell

Je nach Anwendung, Arbeitsvolumen, Vorlieben der Anwender und verfügbarem Budget ist das Spektrum an Reworkanlagen breit gefächert. Ersa bietet bereits im Einstiegssegment mit dem HR 200 die schonende Hybrid-Heiztechnik an. Die Steuerung erfolgt bei diesem Gerät allein durch den Anwender und die bearbeitbare Bauteilgröße ist auf 30 mm x 30 mm begrenzt.

Ein breiteres Bauteilsortiment und den vollen Rework-Funktionsumfang bedienen die Systeme HR 550 und HR 600/2. Beim HR 550 erfolgt die Bauteilausrichtung manuell, das HR 600/2 arbeitet wie beschrieben automatisch. Für sehr große Baugruppen und ein erweitertes Leitungsspektrum wurde das HR 600 XL konzipiert. Diese Plattform wird in den kommenden Jahren sowohl in der Hardware mit neuen Komponenten als auch in der Software weiter mit neuen Funktionen ausgebaut.

electronica 2018: Halle A3, Stand 230

(mrc)