26.05.2014 | PDF, 2,4 MB

Repair und Rework
von elektronischen Baugruppen
Thomas Lauer
EADS Deutschland GmbH
ZVEI AK-Rework+Repair
Fachverbände Electronic Components and Systems und
PCB and Electronic Systems
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick / Leitfadenerstellung
Nacharbeit und Reparatur
Nacharbeit (Rework):
Die erneute Bearbeitung von Teilen, die nicht den Anforderungen
entsprechen, im Original-Prozess oder in alternativen gleichartigen
Prozessen in einer Weise, dass anschließend die Teile die
maßgebenden Zeichnungen und Normen erfüllen.
=> z.B. Nachlöten von Lötstellen
Reparatur (Repair):
Das Wiederherstellen der Funktionstüchtigkeit eines defekten Teils in
der Weise, dass das Teil anschließend wieder den Zeichnungen und
Normen entspricht.
=> z.B. Tausch einer Komponente
Quelle: IPC-T-50G
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Motivation zur Gründung des AKs R+R

Nullfehlerstrategien bei hochkomplexen, wertigen Baugruppen sind vornehmlich
erst ab gewissen Fertigungsvolumina wirklich greifbar

Komplexere Wertschöpfungsketten mit wachsendem Fehlerpotenzial

Nicht eindeutig definierte Lötwärmebeständigkeiten führen zu sporadischen NichtLinientauglichkeiten von Bauelementen (z.B. Super Caps Kondensatoren)

Aspekt „Ideenschmiede“ Nacharbeit => „Ergänzungs-, Fertig- oder
Komplementärlöten“

Lötverbindungen für spezielle Applikationen sind im Linienprozess nicht immer
auf Anhieb garantiert

Standard- / Normensituation mit diversen „Freiheitsgraden“ für R+R
(Verbindlichkeit von Temperaturangaben unter Bindung an Lötverfahren)

Abgrenzung von Reparatursystemen (quasi-stationäre Systeme) und klassischen
Handlötstationen

Bei Space-Applikationen etabliert, wenn auch nicht erwünscht
Nacharbeit & Reparatur / div. relevante
Richtlinien, Normen und Standards
Konformität zu diversen Richtlinien, Standards / Normen

IPC-A-610
Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen (DE)

IPC J-STD-001
Anforderungen an gelötete elektrische und elektronische
Baugruppen

IPC-7095
Design and Assembly Process Implementation for BGAs

IEC 61191-1
Elektronikaufbauten auf Leiterplatten Teil 1

DIN EN 61760-1/-2
Oberflächenmontagetechnik
Teil 1 und 2
Fokus Linienprozesse

DIN EN 61192-5
(mit Ausnahme
Anforderungen
an die7711/7721)
Ausführungsqualität von
Lötbaugruppen - Teil 5

IPC-7711/7721
Rework, Modification and Repair of Electronic Assemblies

IPC J-STD-033
Handling, Packaging, Shipping and Use of
Moisture/Reflow Sensitive Surface Mount Devices

IPC J-STD-020
Moisture/Reflow Sensitifity Classification for….

IPC J-STD-075
Classification of Non-IC Electronic Components for
Assembly processes

IPC-1601
Printed Board Handling and Storage Guidelines
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Ziel des Arbeitskreises
Ziel des Arbeitskreises ist es, eine Branchenempfehlung über qualifiziertes
R+R zu erarbeiten, die im Sinne einer Selbstverpflichtung der Branchenteilnehmer/EBG-Hersteller dazu führen soll, dass die Kunden (bei Erfüllung der
definierten Rahmenbedingungen und Kriterien) das R&R akzeptieren.
Die Basis zur Umsetzung einer globalen R&R Empfehlung bilden dabei
etablierte Standards, innerhalb derer bereits zulässige Verfahrenswirkbereiche
und Prozessgrenzen klar definiert sind.
Der primäre Fokus widmet sich dabei den Lötprozessen, sowie deren Verträglichkeit
untereinander.
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
AK-R&R / involvierte Firmen & Sponsoren

Balver Zinn

MARTIN GmbH

cms electronics GmbH

Rohde & Schwarz GmbH

Christian Koenen GmbH

SUMIDA Lehesten GmbH

EADS / Airbus Defence & Space

Texas Instruments

ERNI GmbH

Wagenbrett GmbH

ERSA

Würth Elektronik

FCI

Zestron Europe

FhG ISIT

ZEVAC AG

FhG ZVE

Zollner Elektronik AG
Themenfelder im Fokus / Löt- und
Lötfolgeprozesse
Bleifreier R+R-Lötprozess mit SAC 305
=> Handlöten (Kolbenlöten, opt.Hot Air-Pencil)
=> quasi stationäre Reparaturstationen (Strahlung / Konvektion)
=> Wie ist der „Referenz-Linienprozess“ zu sehen?
=> Flussmittel- & Flussmittelverträglichkeit
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Thermische Konflikte / Komponenten
Gradienten / Individuelle Abweichungen
ΔT
Zonenübergänge
ΔT
ΔT des gesamten Bauteilspektrums
ΔT aufgrund bestehender LP-Konstellation
Thermische Konflikte / Wellenlöten
Gradienten
Zonenübergänge
ΔT der Baugruppe (Bottom vs. Top)
ΔT
Typische & untypische Profile
T
Was ist besser, zuverlässiger
oder zulässiger?
260
220
180
Thermische
Gruppen- oder
Individualreisen?
140
100
60
20
0
t
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Testboard / Leiterplatten (Fa. Würth)
Σ 48 Leiterplatten / HDI-Multilayer (Multilayer / Typ 1-4-1)
=> partielle Wärmefallen
(Multilayer mit Extra-Kupfer)
=> Basismaterialien
(gefüllt)
=> Oberfläche
(ENIG)
=> Mikrovias
(copper filled / epoxy plugged)
Design für R&R
=> partielles Daisy Chain – Option für erweiterte Test (Zuverlässigkeit)
=> SIR-Strukturen
=> THT für Hand-, Selektivlöten oder PIH
=> neuralgische Positionen (Thermalpoints / Kupferverteilung)
=> Basis Paddesign konform zu IPC-Standard Nominalmaß (7351A)
=> LP-Größe 225x100mm
Testboard / Bottom Side
Testboard / Top Side
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Nacharbeit / Reparatur I / Reparatur II
Nacharbeit:
Alle bestückten BG haben (schablonengenerierte) provozierte Lötfehler
=> Schaffung von 40 Nacharbeitsbaugruppen (Serienschritte + Nacharbeit (offen
zugängliche LS))
=> klassische SMD-Bauformen betroffen mit Ausnahme BGA / BTC
=> 4 Baugruppen verbleiben
=> kein zusätzlicher BE-Bedarf (Bauteile verbleiben auf den Baugruppen)
Reparatur I:
Schaffung von 36 Reparaturbaugruppen I (Serienschritte + Nacharbeit + Rep. I)
=> 18 Baugruppen verbleiben (je Rep I -Verf. 6 Stück)
Reparatur II:
Schaffung von 18 Reparaturbaugruppen II (Serienschritte + Nacharbeit + Rep. I und II)
=> 18 Baugruppen verbleiben (je Rep I + II-Verf. 6 Stück)
=> zusätzlicher Bedarf an BE; falls die Stückzahl nicht ausreicht, so wird thermischer
Lötstress aufgebracht, das BE aber nicht getauscht.
Testboard / Bestückung
Testboard / Rework und Repair Übersicht / Teil1
Testboard / Rework und Repair Übersicht /
Details- / Artefaktzuordnung - Xray
Quelle: Zollner
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Testboardpräparation Topside / oder….
was, wann, wo, wie heiß wird?
Testboardpräparation Bottomside
Erkenntnisse / Testboardpräparation XrayKontrolle
R+R / Equipment – Beispiel zu den quasi
stationären Anlagen
Erkenntnisse /
thermische Profile BGA 256
Was ist noch anders
als beim Linienprozess?
Umgebung bleibt kühler
Was ist anders
als beim Linienprozess?
Handling- und Eingriffszeiten
berücksichtigen!
Erkenntnisse /
thermische Profile PBGA 114
Reballing / das Equipment, die Probanden
Reballing / die Prozesschronologie
euphorisches
Padsanieren
Agenda
 Nacharbeit und Reparatur
 Motivation zur Gründung des AK Rework + Repair
 Ziel des AK
 involvierte Firmen + Sponsoren
 Themenfelder im Fokus
 Testboard / Design
 R+R - Rahmenbedingungen / Abläufe
 Erkenntnisse aus den Untersuchungen
 Ausblick
Testboard / Erkenntnisse & Ausblick – Teil 1
=> Bewertung BG Lötergebnis (IPC-A-610 E Klasse 3)
=> grundsätzlich eine realisierbare Anforderung (Exoten BE FCI & BGA-Sockel stellen
gesonderte Anforderungen)
=> Thermische Profilierung – lokale Profiloptima sind reproduzierbar darstellbar
=> Sattel nicht erforderlich
=> Leiterplattenschädigungen (Laminatschädigungen)
=> n-ter Lötfall als Risiko bzw. mit Folge sichtbarer Schädigung
=> dieser Effekt wurde bislang einmal im Schliff nachgewiesen
=> visuell:
keine ersichtlich
=> Querschliff:
sporadisch detektiert (weitere Auswertungen)
=> LP-Schädigungen (Padlifts, etc.)
=> an einzelnen, nicht angebunden Pads von BGA bei manueller Sanierung
=> BE-Schädigung (sichtbar wie Deformationen oder pin-defects,
via Ultraschallmikrokopie zusätzlich zu diagnostizieren)
=> ERNI-STV (vgl. nächste Position) und sporadisch am FCI-STV
=> Einfluss von geometrisch und strömungstechnisch passenden Düsen
=> erheblicher Einfluss spürbar / Düsen sind dreidimensional anzupassen
Testboard / Erkenntnisse & Ausblick – Teil 2
=> Sicherheit von Reballing
=> gemäß optischer Prüfung und AVT-Ergebnissen stabil realisierbar
=> Herausforderung 2401-BGA / Problem Toolverwölbung – Schablonenadaption
=> Padsanierung als die wegweisende Disziplin identifiziert
=> Einzelplatzierung (pick and place von balls) gut realisierbar, jedoch zeitintenisv
=> abschließende zerstörende Analyse (Querschliffe)
=> R + R von STV u.a. FCI-STV und PIH-STV
=> Düsengeometrie (Allrounddüsen) und Messfühlerpositionierung stellen die
prozesstechnisch neuralgischen Punkte dar
=> Anlagenspezifika (primäre Wärmeübertragung) sehr dominat
=> Bestückhilfenkonflikte / Reparaturtauglichkeit
=> Freistellungen in Form von fachwerkähnlichen Aussparungen
=> teilweise abgelöste Pads (Durchwärmung / Düsengeometrie)
=> Parallelerkenntnis / Auswirkung von R&R auf Voidverhalten (aktiv – passiv)
=> keine negativen Signifikanzen durch „Kollateralvoids“ indentifiziert
Testboard / Bilderbeispiele FCI-STV vor
Anpassung
besserer Wärmetransfer
Problem / Mission Bestückhilfe
Nicht definierte BE-Positionierung
während des Reflow
=> thermische Inhomogenitäten
Testboard / Erkenntnisse & Ausblick – Teil 3
=> quasi stationäre Systeme / penible Programmierung und Thermodummy
essentiell – Universalprofile sind nicht sinnvoll
=> Handlöten / Mitarbeitertraining der dominante Parameter; berührungslose bzw.
kraftarme Restlotentfernung als besonders neuralgische Disziplin identifiziert
Flussmittelverträglichkeit / SIR-Struktur / => Abschlussdisziplin
=> weiterführende Aktivitäten/Ergebnisse im Zusammenhang eines IGF-Projekts
„Untersuchung des Einflusses der elektrochemischen Korrosion auf die
Zuverlässigkeit von reparierten elektronischen Baugruppen unter
Verwendung bleifreier Lote und No-Clean-Flussmittelmischungen“
=> Bewertung der eingesetzten Verfahren und thermischen Rezepturen in Form
einer Prozessierbarkeits-Verträglichkeits-Tabelle
=> Scherkraft-Ranking an passiven BE
=> Abschluss der zu betrachtenden Verfahren mittels eines primär
strahlungsbasierten Systems (derzeit am ISIT kurz vor Abschluss)
=> Verfassen des ZVEI R+R-Leitfadens mit erstem Redaktionstermin in KW 11
Testboard / Erkenntnisse – Teil 5 /
Bilderbeispiele
1-fach Reparatur
2-fach Reparatur
Theoriebestätigung:
insbesondere
voidarme Befunde beim Platzieren ohne
zusätzliche Lotpaste
Testboard / Erkenntnisse – Teil 6 /
Bildbeispiele Padeffekte bzw. -defekte
Padabriss
nach Padsanierung
S-QFP G64
Abriss an nicht angebundenen
(nicht funktionalen) Pads nach
manueller “Sanierung”
Testboard / Erkenntnisse – Teil 7 /
Herausforderung Vakuumleistung Tools
Für Standarddüsen
ungeeignet
Für übliche Bauformen ist die
Vakuumoption ausreichend
bemessen – für massereiche und/oder
BE mit großflächig angebundenen Lötstellen
dagegen grenzwertig
Testboard / Erkenntnisse – Teil 8 /
Beispiel R+R 20/M / PQFP 100
∑ Lötwärmehistorie LP:
2 x Linienreflow
5 x je 2 Repair
+ Restlotabsaugen
∑ Lötwärmehistorie PQFP:
2 x Linienreflow
2 Repair
Testboard / Erkenntnisse – Teil 9 /
Beispiel R+R 20/M / BGA 256
∑ Lötwärmehistorie LP:
2 x Linienreflow
5 x je 2 Repair
+ Restlotabsaugen manuell
∑ Lötwärmehistorie BGA:
2 x Linienreflow
2 Repair
+ Padsanieren
(manuell)
Der Leitfaden lebt……
•Redaktionsrunde im 2-wöchigen Turnus
•Ziel Vorstellung zur diesjährigen electronica
R+R nach Sinn- und Zweckmäßigkeit
professionell & kontrolliert
einsetzen, damit Sie in Zukunft nicht die
(modifizierte)
Devise leben müssen…
….Baugruppenspezifikation nach Kundenvorgaben
….Hergestellt nach Basisrichtlinie J-STD-001
….Abnahmeanforderungen der BG nach IPC-A-610
….Nacharbeit und Reparatur nach Feierabend
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
…………
für die tolle
Arbeit des AK-Teams!