Leiterplatten nach dem Reworkprozess

Die Analyse wurde zum einen an Testleiterplatten durchgeführt und zum anderen an Leiterplatten von realen Mobiltelefonen. Um die Änderungen an den Lötstellen detailliert beobachten und analysieren zu können, wurden in einem ersten Schritt Testleiterplatten mit SOP-, BGA- und QFN-Bauteilen bestückt und deren Zustand (=Original) erfasst. Anschließend wurden bei zwei unterschiedlichen Reworksystemen von Ersa (HR 600/2) und Finetech (Fineplacer Core) drei von sechs Bauteilen eines Typs auf jeder Testleiterplatte getauscht (= Rework (A) und Rework (B)). Danach erfolgte der Vergleich der Bereiche mit und ohne Rework auf den manipulierten Testleiterplatten mit dem Originalzustand.

Übersicht zu den Testleiterplatten

Die einzelnen Testleiterplatten (LP) stellen einen Nutzen von Sub-Leiterplatten mit Lötflächen für jeweils sechs Bauteile (BT) mit den Gehäusetypen SOP, QFN und BGA dar. Die Sub-Leiterplatten lassen sich bei Bedarf leicht aus der Testleiterplatte heraustrennen. Da Leiterplatten mit BGA-Bauteilen standardmäßig ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) Lötoberflächen aufweisen, erhielten auch die Testleiterplatten ein ENIG-Finish. Die manipulierten Sub-Leiterplatten sind für die spätere Wiedererkennung mit „(m)“ gekennzeichnet. J-BGA1(m) wäre dann der erste BGA, der manipuliert wird, auf der Testleiterplatte mit dem Buchstaben J.

Testleiterplatte mit Sub-Leiterplatten zum leichten Heraustrennen einzelner Regionen. HTV

Übersicht zu den Arbeitsschritten

Zur Manipulation wurden die folgenden Änderungen an den Bauteilen auf den Testleiterplatten durchgeführt. SOP: Pro LP drei Bauteile ablöten, LP reinigen, neues BT in Lotpaste dippen oder LP bedrucken und BT mit Anlage oder mit der Hand einlöten. BGA: Pro LP 3 Bauteile ablöten, LP reinigen, neues BT oder altes BT mit Reballing in Flussmittel dippen und BT mit Anlage einlöten. QFN: Pro LP 3 Bauteile ablöten, LP reinigen, neues BT mit Lotpaste bedrucken und BT mit Anlage einlöten.

Untersuchungsergebnisse

Die Leiterplatten weisen bei beiden Herstellern nach dem Rework eine dunkle Verfärbung und teilweise auch mechanische Verformungen auf.

Verfärbte Leiterplattenrückseite links nach dem Rework, rechts das Original. HTV

Bei den Pins der SOP-Bauteile zeigt sich sowohl bei der Handlötung (A) als auch beim Rework (B) ein auffälliger Unterschied in der Lotmenge. Beim Handlöten gelangte Lötzinn auf die Oberseite der Pins und beim Rework (B) war aufgrund zu großer Öffnungen in der Lotpastenschablone zu viel Lötzinn auf die Leiterplatte vor dem Lötprozess aufgetragen worden.

Visuelle Analyse der SOP-Lötstellen. HTV

Die BGA-Bauteile zeigen eine Verfärbung der Balls, falls zusätzliches Flussmittel (z.B. IF8300) vor dem Lötprozess manuell auf die Balls aufgetragen wird. Wenn die Bauteile hingegen nur in eine Schale mit Flussmittel gedippt werden, besteht kein deutlicher visueller Unterschied zwischen den manipulierten BGA-Balls und dem Original. Bei den QFN-Bauteilen zeigt sich ebenfalls ein Unterschied in der Lotmenge nach dem Rework-Prozess sowohl in der Gesamtmenge als auch an der Stirnseite.

Analyse von Schliffbildern

Mit Hilfe von Querschliffen durch ein Bauteil oder eine elektronische Baugruppe ist es möglich, in den seitlich aufgenommenen Schliffbildern das metallografische Feingefüge der Lötstelle zu analysieren, Materialanalysen durchzuführen und Schichtdicken zu vermessen. Wie bei der visuellen Analyse weisen auch die SOP-Pins im Schliffbild einen Unterschied bei der Lotmenge im Vergleich zum Original auf. Während Rework (A) dem Original sehr nahe kommt, zeigt Rework (B) eine deutlich größere Lotmenge bei den SOP-Pins. Bei den von Hand gelöteten Bauteilen sind Lotreste auf der Oberseite der Pins als dünne Schicht erkennbar.

Bei den BGA-Balls sind im Schliffbild im metallografischen Feingefüge keine deutlichen Unterschiede zum Original erkennbar, da es sich in beiden Fällen um eine vergleichbare Zinn-Silber-Kupfer-Legierung handelt. Bei den Bauteilen, an denen ein Reballing durchgeführt wurde, zeigt sich ein deutlicher Größenunterschied bei den Balls. Die Schliffbildanalyse der QFN-Kontakte zeigt mehrere Auffälligkeiten. Zum einen ist der Abstand zwischen Leiterplatte und Bauteilanschluss nach dem Rework größer (Original ca. 68 µm, Rework (A), ca. 86 µm, Rework (B) ca. 82 µm), zum anderen hat sich bei Rework (A) das gesamte Lötzinn unter den QFN-Kontakt gezogen.

QFN-Kontakte im Schliffbild. HTV

Analyse der intermetallischen Phase

Bei elektronischen Bauteilen und Baugruppen sind auf dem Kupferträgermaterial unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen (zum Beispiel Zinn oder Gold) aufgebracht, die das Grundmaterial vor Korrosion durch die Umgebung schützen und für einen Erhalt der Lötbarkeit sorgen. Durch innere Diffusionsprozesse kann aber das Gold in Kupfer (bei der Leiterplatte) und das Kupfer in Zinn (beim elektronischen Bauteil) diffundieren. Für die Leiterplatte bedeutet das, dass nach kurzer Zeit keine schützende Goldoberfläche mehr vorhanden ist, und für den elektrischen Kontakt des elektronischen Bauteils, dass sich nach kurzer Zeit Kupfer in der Zinnbeschichtung befindet und dort eine intermetallische Phase (IMP) bildet. Die intermetallischen Phasen weisen einen höheren Schmelzpunkt auf als das Reinzinn und können im Lötprozess nicht mehr aufgeschmolzen werden. Um den Diffusionsprozessen entgegenzuwirken, bringen die Hersteller in der Regel eine Nickelsperrschicht zwischen Kupfer und der Oberflächenbeschichtung auf.

Bei den QFN-Bauteilen existiert diese Nickelschicht aber nicht, daher eignen sich diese Bauteile besonders gut für die Analyse der IMP. Die IMP wächst durch einen Lötprozess an. Beim Vergleich zwischen manipulierten und original-bestückten Bauteilen konnte beim Wachstum der IMP aber kein Unterschied festgestellt werden. Dies lässt sich damit begründen, dass die Reworksysteme die Temperaturen im Lötprozess sehr genau nachbilden, die nicht manipulierten Bauteile nur für kurze Zeit auf etwa 100 °C erwärmt werden und in diesem Bereich die Wachstumsrate der IMP nur 21 nm/h beträgt.

Röntgenanalyse

Bei der Röntgenanalyse im HTV-Institut für Materialanalyse zeigt sich in nahezu allen Lötstellen ein gewisser Anteil von Hohlräumen beziehungsweise Voids (helle Flecken im Röntgenbild). Am auffälligsten sind die Balls der BGA-Bauteile nach Rework (A), sie zeigen keine Hohlräume auf. Bei den anderen Kontakten gibt es zwar leichte Abweichungen zum Original, die aber keine signifikante Auffälligkeit darstellen.

Materialanalyse

Die Zusammensetzung der Legierung in der Lötstelle wurden mittels Röntgenfluoreszenz (RFA) näher analysiert. Eine Probe wird mit Röntgenstrahlung beschossen. Diese dringt bis ca.100 µm in die Probe ein. Aus dem Spektrum der zurückgestreuten charakteristischen Röntgenstrahlung können dann die im Material enthaltenen Elemente analysiert werden. Es wird die Lötstelle vor einem SOP-Pin vermessen. Die Tabelle enthält die Messergebnisse für sechs wichtige Elemente in verschiedenen Phasen des Rework-Prozesses.

RFA-Analyse der elementaren Zusammensetzung einer SOP-Lötstelle. HTV

Der Blei-Gehalt (Pb) ist allgemein sehr gering. Dies ist typisch, da bleifreie Lotpasten verwendet werden. Die Lotpaste ist eine typische SAC-Legierung (Sn-Ag-Cu) mit einem Silberanteil von 3,5 Prozent. Interessant ist, dass ein reines Aufschmelzen der Lotpaste auf einem Pad der Leiterplatten das Gold der ENIG-Oberflächenbeschichtung löst und dieses an-schließend im Lötzinn gemessen werden kann. Die Pins selbst weisen eine Nickel-Palladium-Gold-Beschichtung auf. Durch das Verlöten der Bauteile steigt der Gold- und Palladium-Anteil in der Lötstelle an. Wird jetzt das Bauteil im Rework abgelötet und das Restlot auf dem Pad entfernt, sinkt der Gold- und Palladium-Anteil wieder. Durch das Aufbringen eines neuen SOP-Bauteils mit einer SAC-Lotpaste wird nicht in gleichem Maße Gold und Palladium der Lötstelle im Rework-Prozess gelöst. Daher weisen die manipulierten Lötstellen im Vergleich zum Originalzustand einen geringeren Gold- und Palladium-Anteil auf.

Härtemessung mit Nanoindentation

Um die Härte einer Leiterplatte zwischen dem Originalzustand und den manipulierten Leiterplatten zu analysieren, wurde die Nanoindentation verwendet. Ein Verfahren, bei dem ein sehr kleiner Stift mit einer Diamantspitze und spezieller Form in das zu untersuchende Material eingedrückt und dabei die Eindringtiefe und Kraft aufgezeichnet werden. Mit dem Verfahren lässt sich eine Vielzahl von Kennwerten errechnen (zum Beispiel Eindringmodul, Eindringhärte, Martenshärte und Vickershärte). Zur Ermittlung der durchschnittlichen Eindringhärte wurde auf den unterschiedlichen Sub-Leiterplatten 25 Messwerte auf einem Feld von 5 × 5 Messpunkten ermittelt. Die Eigenhärte der Leiterplatten steigt durch den Rework-Prozess an. Der Anstieg der Härte lässt sich durch das Ausgasen von Weichmachern aus dem Harzmaterial der Leiterplatte durch die hohen Temperaturen während des Rework-Prozesses erklären.

Die vorgestellte Studie verdeutlicht, dass durch einen Rework-Prozess an einer Leiterplatte unter anderem folgende Auffälligkeiten auftreten können. Weitere mögliche Auffälligkeiten enthält z.B. [2].

Auffälligkeiten an der Leiterplatte:

• Verfärbung des Harzmaterials
• Rückstände von Flussmittel
• Eindringhärte der Leiterplatte steigt an

Auffälligkeiten am elektrischen Kontakt:

• Lotmengenunterschiede
• Hohlräume bzw. Voids in den Lötstellen
• Die elementare Zusammensetzung der Lötstelle ändert sich merklich (z. B. Gold, Palladium und Antimon)

Analyse von Mobiltelefonen

An realen Leiterplatten von Mobiltelefonen (Samsung Galaxy S III i9300) sollte geklärt werden, welche Auffälligkeiten eine elektronische Baugruppe aufweist, bei der ein Bauteil entlötet und nach einem Rework wieder aufgelötet wird. Bei dem ausgetauschten Bauteil handelt es sich um ein BGA-Bauteil, das mit einem Underfill mit der Leiterplatte verklebt ist, was häufig bei Mobiltelefonen zum Schutz der Bauteile der Fall ist.

Ablauf

Im ersten Schritt wird die Leiterplatte auf ca. 150 °C erwärmt, um das Underfill-Material rund um das Bauteil einschneiden zu können. Das Einschneiden ist wichtig, damit keine benachbarten Bauteile während des Rework-Prozesses abgehoben werden. Das BGA-Bauteil wird dann mit einem speziellen Werkzeug während des Rework-Prozesses bei einer Temperatur von ca. 240 °C abgehoben. Sowohl das Bauteil als auch die Leiterplatte werden von den Underfill- und Lotresten gereinigt. Anschließend werden in einem Reballing-Schritt neue Lotkugeln auf die Unterseite des Bauteils aufgebracht. Danach wird das Bauteil in Flussmittel gedippt und wieder auf der Leiterplatte verlötet. Bei der Leiterplatte zeigen sich Rückstände des Underfill-Materials, Kratzer und einige Pads für die elektrische Kontaktierung des Bauteils sind abgerissen.

a) Manipuliertes BGA-Bauteil eines Mobiltelefons nach Rework und Reballing-Prozess. b) Intaktes Originalbauteil. HTV

Beim elektronischen Bauteil finden sich ebenfalls Reste des Underfill-Materials, Kratzer und die elektrische Funktion ist nach dem Rework-Prozess nicht mehr gegeben. Jedoch ist es möglich, ein Bauteil mit Underfill von einer Leiterplatte abzunehmen und über einen Reballing-Prozess wieder auf eine Leiterplatte aufzubringen. Die Leiterplatte darf bei dem Prozess aber nicht beschädigt werden, da sonst die elektrische Funktion nach dem Löten eventuell nicht mehr gegeben ist.  Damit ein solches Rework funktioniert und später nicht erkennbar ist, muss der Prozess des Austauschens sehr vorsichtig und mit sehr viel Erfahrung durchgeführt werden.

Wechsel von Schutzblechen

Bei einer Leiterplatte eines BlackBerry Mobiltelefons vom Typ Z30 wurde für den Test eins der Schutzbleche abgehoben, die Lötstelle auf der Leiterplatte mit Flussmittel benetzt und das Blech anschließend wieder aufgelötet. Die Untersuchung sollte auch klären, um was für eine Art von Verfärbung es sich beim Blech handelt und ob diese Verfärbung auch noch nach einem Rework-Prozess existiert.

Ergebnisse

Beim seitlichen Blick in die Lötstelle fällt auf, dass das Lötzinn nicht gleichmäßig den Schlitz zwischen Leiterplatte und Blech ausfüllt und es sogar Bereiche gibt, bei denen das Lötzinn Leiterplatte und Blech gar nicht verbindet. Die verfärbten Bereiche sind die Zonen, die nur von Flussmittel gefüllt wurden. Diese ungleichmäßige Benetzung beruht zum einen wahrscheinlich auf einer mangelhaften Lötbarkeit der Bleche und zum anderen auf einer zu geringen Menge an Lotpaste.

Seitlicher Blick in die Lötstelle des Bleches. Mangelhafte Benetzung ist sichtbar und sogar ein Spalt zwischen Blech (oben) und Leiterplatte (unten). HTV

Auch nach dem Austausch des Blechs bildet sich die auffällige Färbung auch nach dem Rework-Prozess aus. Ein Unterschied zum Originalblech ist kaum erkennbar. Somit können aber Schutzbleche leicht getauscht werden und die Lötstellen am Rand der Bleche kommen im visuellen Erscheinungsbild dem Originalzustand sehr nahe.

Fazit

In der vorgestellten Studie wurden im HTV-Institut für Materialanalyse unterschiedliche Analyseverfahren eingesetzt, um ein Rework beziehungsweise eine nachträgliche Manipulation, die an einer elektronischen Baugruppe erfolgt ist, nachzuweisen. Die Tabelle fasst noch einmal die Verfahren sowie die Auffälligkeiten zusammen, die an den untersuchten Baugruppen festzustellen waren. Die Unterschiede zwischen einer reparierten beziehungweise einer manipulierten Baugruppe und einer originalen Baugruppe sind dabei vielfältig.

Analysen und Auffälligkeiten. HTV

Ausblick zur nächsten Studie

Besonders auffällig bei der Studie war eine bei SO-Bauteilen durch Manipulation bedingte beobachtete Auswaschung des Gold-Anteils in der Lötstelle. Aktuell erforscht HTV in einer zweiten Studie im Detail, welche Spurenelemente und Zinn-Isotope in einer Lötstelle vorhanden sind, um aus der elementaren Zusammensetzung der Lötstelle (dem sogenannten elementaren Fingerabdruck) eine noch bessere Aussagekraft über eine mögliche Manipulation zu erhalten.

Literatur

[1]   Thomas Kuhn, Henry Schäf, Wiebke Valouch: Lötzinn-Analyse. HTV GmbH, Forschungsprojekt für das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, Projekt 249, 15.11.2016

[2]   ZVEI: Rework of Electronic Assemblies – Qualifiable Processes for Rework. German Electrical and Electronic Manufacturers’ Association, November 2017

(pg)