Man findet sie auf dem New Yorker Times Square oder an Wolkenkratzern in Fernost: riesige LED-Werbetafeln, zusammengesetzt aus unzähligen kleinen Panels. Zigtausende leuchtende Einzelelemente bilden so gemeinsam einen haushohen Bildschirm. Die einzelnen Leiterplatten messen nur wenige Zoll, sind aber mit unzähligen Pixels bestückt, die wiederum jeweils aus kleinen SMD-LEDs bestehen. Je drei dieser Mini-LED in den Farben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) ergeben dabei ein weißes Pixel. Ein 1 m² großer Bildschirm vereint so schnell weit mehr als 3 Mio. LED-Komponenten mit Abmaßen von beispielsweise 220 µm x 120 µm.

RGB-LED eines weißen Pixels.

RGB-LED eines weißen Pixels. FineTech

Bei der Fertigung solch großformatiger Displays kommt es aufgrund natürlicher Schwankungen regelmäßig zu Ausfällen einzelner LED-Bausteine, die den elektrischen Test nicht erfolgreich passieren. Die Mini-LED können dabei ganz unterschiedliche Defekte aufweisen, z.B. gebrochen, fehlplatziert, verdreht oder ungenügend kontaktiert sein oder ganz fehlen. Um nicht die gesamte Trägerplatte aufgrund isolierter LED-Defekte aussortieren zu müssen, suchen Hersteller zuverlässige Reparaturprozesse zur Wiederherstellung der ausgefallenen Pixel. Das schont Ressourcen und bewegt die Ausbeute der Produktion in Richtung 100 Prozent.

Was sind die Reparatur Herausforderungen?

Finetech hat einen mehrstufigen Mini-LED Reparaturprozess für R&D und Produktion entwickelt. Je nach Kundenanforderung und Machbarkeit variiert dieser, beinhaltet aber in der Regel folgende Arbeitsschritte: Fehlerhafte Mini-LED Komponente und Restlot vom Substrat entfernen, neue Lotpaste auftragen und neue Mini-LED ausrichten, platzieren und einlöten. Der gesamte Reparaturkreislauf lässt sich dabei auf demselben Heißgas-Reparatursystem durchführen. Alle Prozessparameter (Temperatur, Kraft, Prozesszeit) sind dabei individuell auf das Bauteil und das Substrat abgestimmt.

Die defekte LED wird aus einem dichten Array herausgelöst.

Die defekte LED wird aus einem dichten Array herausgelöst. FineTech

LED-Displays

Displays bestehen meist aus zigtausenden leuchtenden Einzelelementen. Die einzelnen Leiterplatten messen nur wenige Zoll, sind aber mit unzähligen Pixels bestückt, die wiederum jeweils aus kleinen SMD-LEDs bestehen. Je drei dieser Mini-LED in den Farben Rot (R), Grün (G) und Blau (B) ergeben dabei ein weißes Pixel. Ein 1 m² großer Bildschirm vereint so schnell weit mehr als 3 Mio. LED-Komponenten mit Abmaßen von beispielsweise 220 µm x 120 µm.

Die Reparatur von Mini-LEDs stellt zahlreiche Anforderungen an das Reparaturequipment. Aufgrund der geringen Abmessungen besteht zunächst einmal die Notwendigkeit, die Bauteile mit ausreichender Vergrößerung und optischer Auflösung betrachten zu können. Durchaus fordernd ist zudem die sichere Handhabung fragiler und leichter LED-Komponenten. Eine exakte Vakuum- und Kraftkontrolle ist unerlässlich. Um einen Pixeldefekt zu beheben, muss die LED aus einem dicht bestückten LED-Array herausgelöst werden. Um den Zugang zu ermöglichen und umliegende Bauteile während des Reparaturprozesses nicht zu beschädigen, sollten sowohl das Lötkopfdesign als auch Gasfluss und Vakuum entsprechend angepasst sein.

Absolut unerlässlich ist ein präzises Temperaturmanagement. Ober- und Unterheizung agieren exakt aufeinander abgestimmt, um im Zusammenspiel mit einem geeigneten Tool die thermische Energie genau dorthin zu bringen, wo sie benötigt wird, gleichzeitig aber umliegende Komponenten zu schützen.

Sehr wichtig ist zudem die Kontrolle wärmebedingter Ausdehnungsprozesse. Beim Reflow-Löten hat man Temperaturunterschiede von mehr als 200 K. Es ist unabdingbar, dass sich dabei sowohl Maschinenteile als auch Substrate (je nach Material mehr oder weniger) verformen. Bei einem BGA mit großem Pitch und Lotkugeln ist ein Mikrodrift nicht entscheidend, die Komponente richtet sich selbst aus, sobald das Lot flüssig wird. Bei Mini-LED mit nur wenigen Mikrometern Abstand zur Nachbarkomponente ist dies anders. Umso wichtiger ist es, das Reparatursystem auch bei großen Temperaturunterschieden absolut stabil zu halten.

LED auslöten und Lot absaugen in einem kombinierten Arbeitsschritt.

LED auslöten und Lot absaugen in einem kombinierten Arbeitsschritt. FineTech

Sorgfältige Vorbereitung unerlässlich

Um Mini-LED Arrays erfolgreich zu reparieren, bedarf es einer sorgfältigen Vorbereitung. Dazu gilt es zunächst die Vorgehensweise festzulegen. Darf das Restlot wiederverwendet werden? Kann man die LED weiter nutzen? Wie lange darf der Temperaturprozess dauern? Damit einhergehend erfolgt dann auch die Auswahl des geeigneten Werkzeugs.Für Standard SMD-Reparaturen mögen Arbeitsplätze ohne bauteilspezifisches Lötwerkzeug ausreichen, jedoch ist deren Anwendungsspektrum und Flexibilität sehr begrenzt. Insbesondere bei anspruchsvollen Reparaturanwendungen wie Mini-LED stößt man ohne geeignetes Tooling rasch an Grenzen.

Bei der LED-Reparatur sorgt das Lötwerkzeug nämlich dafür, dass die Wärme um das Kunststoffgehäuse der LED herumgeleitet wird. Im Zusammenspiel mit einem Heißgassystem wird die Energie, anders als bei reinen IR-Strahlern, genau dorthin transportiert, wo man sie benötigt. Gasfluss und Vakuum sind dabei exakt einstellbar, um ein Wegblasen der Komponente auszuschließen. So werden die LED sowie benachbarte Komponenten effektiv vor Beschädigungen, Verfärbungen oder Verformungen geschützt.

Neben der Wahl des geeigneten Lötwerkzeugs ist auf einen sicheren Sitz des Panels zu achten. Je nach Größe und Form der Panels ist es nicht immer möglich, das Panel ohne weiteres in den Arbeitstisch einzuspannen, da LED-Panels meist bis zum Rand bestückt sind. Hier helfen spezielle kundenspezifisch angepasste Substrataufnahmen.

Lotpastenauftrag mit Hilfe einer Transfernadel.

Lotpastenauftrag mit Hilfe einer Transfernadel. FineTech

Ein weiterer essenzieller Vorbereitungsschritt ist das Einmessen der Lötprofile. Dafür wird idealerweise ein Sample-Panel mit Thermoelementen präpariert. Die Präparation erfolgt entweder nicht-zerstörend oder zerstörend. Damit verbunden sind jeweils Vor- und Nachteile, die im Einzelfall abzuwägen sind. Das fertige Reflow-Profil weist eine Reproduzierbarkeit von +- 2°C auf und lässt sich künftig für diesen Paneltyp immer wiederverwenden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich im Lot enthaltenes Flussmittel aufgrund der kleinen Lotmengen schnell verflüchtigt. Um Oxidationsprozesse zu minimieren und optimal ausgebildete Lötstellen zu erhalten, werden Lötprofile und Haltezeiten daher so kurz wie möglich gestaltet.

Spezielles Lötwerkzeug erforderlich

Die Arbeitsschritte gliedern sich in Auslöten und Restlot entfernen, Lotpaste auftragen und Einlöten und Inspizieren. Bei sehr kleinen LEDs werden Auslöten und Restlotabsaugen oft in einem kombinierten Prozessschritt ausgeführt. Dabei kommt ein spezielles Lötwerkzeug zum Einsatz. Das Auslöten erfolgt durch den kombinierten Wärmeeintrag von unten und oben. Die Heißgas-Unterheizung heizt das Substrat vor, um mechanische Spannungen aufgrund der großen Temperaturunterschiede weitgehend zu eliminieren. Die Temperatur ist so gewählt, dass die Lötverbindungen auf dem Panel nicht aufschmelzen. Der erforderliche Energieimpuls zum Aufschmelzen des Lots am Bauteil wird über die Heißgas-Oberheizung lokal eingebracht. Durch den Einsatz von Stickstoff werden unerwünschte Oxidationsprozesse verhindert und das Auslötergebnis verbessert. Sobald sich das Lot an der auszulötenden LED verflüssigt, werden Lot und LED durch den Vakuumkanal des Absaugkopfs abgesaugt. Dies geschieht kontaktlos, um umliegende Bauteile nicht zu beschädigen.

Hochpräzises Ausrichten, Platzieren und Einlöten der neuen LED.

Hochpräzises Ausrichten, Platzieren und Einlöten der neuen LED. FineTech

Anschließend wird neues Lot aufgetragen. Dies geschieht per Dispenser oder Nadeltransfer. Dispensen ist schnell, reproduzierbar und flexibel, allerdings bei der Minimaldosierung derzeit auf ca. 150 µm im Dot-Durchmesser begrenzt. Für die Reparatur von Mini-LEDs hat sich daher vor allem der Lotpastentransfer mittels Nadel bewährt, um zuverlässig Kleinstlotmengen aufzubringen. Das ist etwas zeitaufwändiger, erlaubt dafür aber je nach Beschaffenheit der Lotpaste Dot-Durchmesser bis 50 µm.

Nach dem erfolgreichen Lotpasten-Auftrag wird die neue LED eingelötet. Dazu wird sie zu den Pads ausgerichtet und in die Lotpaste gesetzt. Ein im Lötarm des Reparatursystems integrierter Kraftsensor sorgt für eine kontrollierte Aufsetzkraft von 0.5 N – essenziell für den Umgang mit Kleinstbauteilen wie Mini-LED. Für den Pick-and-Place-Prozess kommt ein Thermodenspitzen-Lötkopf zum Einsatz. Nun wird die neue LED, umspült von Stickstoff, eingelötet. Dazu nutzt man das gleiche Lötwerkzeug wie zum Auslöten. Verflüssigt sich das Lot, schwimmt die LED von alleine ein. Zuletzt wird das Panel von Flussmittelrückständen gereinigt. Wichtig ist die optische Begutachtung der Lötstellen unter einem Mikroskop. Genauere Erkenntnisse gewinnt man durch Röntgen und elektrische Prüfungen.

Optimierter LED-Reparaturprozess

Optimiert wurde der LED-Reparaturprozess für das modulare Heißgas-Reparatursystem Fineplacer Pico. Der Rework-Arbeitsplatz, konstruiert nach dem bewährten Prinzip mit nur einer beweglichen Achse, kommt weltweit in F&E, Prototypenbau und Produktionsumgebungen zum Einsatz. Dank fünf Mikrometern Platziergenauigkeit und synchronisierter Steuerung aller Prozessparameter wie Temperatur, Gasfluss, Zeit, Kraft ist das System prädestiniert für die Reparatur auf dichtbestückten Substraten wie beispielsweise Mini-LED Array Panels.

Über eine breite Palette an Erweiterungsmodulen lassen sich zusätzliche Prozesse und Technologien nachrüsten und das Anwendungsspektrum der Maschine flexibel ergänzen. Als Besonderheit stehen zahlreiche Verbindungstechnologien aus der Mikromontage zur Verfügung. Spannend ist dieser Hybridansatz angesichts der Tatsache, dass sich SMD-Reparatur und klassisches Micro Assembly zunehmend überlappen.

Modulares Heißgas-Reparatursystem.

Modulares Heißgas-Reparatursystem. FineTech