Seit 25 Jahren befasst sich Ersa mit der Reparatur elektronischer Baugruppen. Vor allem die Nacharbeit hochpoliger SMT-Bauteile – auch „Rework“ genannt – steht dabei im Fokus. In Zeiten von Bauteilmangel und unterbrochenen Lieferketten ist es wichtiger denn je, die bereits geleistete Wertschöpfung zu erhalten…

Erschienen in: Productronic 05/2022
Autor: Jörg Nolte

Seit 25 Jahren befasst sich Ersa mit der Reparatur elektronischer Baugruppen. Vor allem die Nacharbeit hochpoliger SMT-Bauteile – auch „Rework“ genannt – steht dabei im Fokus. In Zeiten von Bauteilmangel und unterbrochenen Lieferketten ist es wichtiger denn je, bereits geleistete Wertschöpfung zu erhalten, auch im Sinne nachhaltigen Wirtschaftens. Rück- und Einblicke in diese spannende Technik gewährt Ersa Produktmanager Jörg Nolte.

Begonnen hat alles 1997 mit dem IR 500 A, dem ersten Infrarot-Reworksystem von Ersa. Es wurde zusammen mit dem Odenwälder Kleinunternehmen Rewatronik entwickelt, um die damals noch neuen „Ball Grid Array“-Bauteile (BGA) sicher aus- und einlöten zu können. Sehr schnell wurde in einer weiteren Kooperation mit dem Schweizer Platzier-Spezialisten Essemtec eine passende Einheit für die Bauteilplatzierung entworfen, denn Fine-Pitch-Bauteile und solche mit verdeckten Lötstellen ließen sich von Hand nicht genau genug platzieren. „Als ich bei Ersa im Jahr 2000 eingestiegen bin, steckte die SMT/BGA-Reparatur noch in den Kinderschuhen“, berichtet Jörg Nolte, der bei Ersa als Produktmanager für den Bereich Rework zuständig ist. Und ergänzt: „Doch dann ging es stetig vorwärts, denn man hatte auf das richtige Pferd gesetzt – die Verbreitung insbesondere der anfangs schwer beherrschbaren Ball Grid Arrays nahm stetig zu und mit ihr der Bedarf an qualifizierter Nacharbeit.“

Heute zählt der BGA zur Familie der Bottom Terminated Components (BTC), also zu Bauteilen mit Lötanschlüssen an der Bauteilunterseite. Die BGA waren in den frühen Jahren häufig die empfindlichsten Bauteile einer Baugruppe: War die thermische Balance im Lötprozess nicht völlig ausgeglichen, kam es zum Verzug des Packages und in dessen Folge häufig zur Brückenbildung oder anderen Lötfehlern. Und damit zu häufigen Ausfällen und Reparaturbedarf. Der Klassiker bei den BGAs sind und waren zu große Spannungen in den Lötverbindungen der Eckbälle und damit verbundene Mikrorisse. Das erneute Aufschmelzen des BGA unter Zugabe von etwas Flussmittel bleibt bis heute ein probates Mittel der Reparatur solcher Fehler. Auch heute sind die Nachfahren der BGA empfindlich gegenüber den relevanten Prozessparametern. So neigen „Micro Lead Frame“-Bauteile (MLF) bei ungenau dosierten Lotmengen zum Aufschwimmen und damit zu offenen Signal-Kontakten. Die Liste der Fehlerbilder und -ursachen ließe sich weiter fortschreiben – wichtig ist, dass für alle diese Fälle sichere Reparaturprozesse etabliert werden konnten.

IR-Technologie

Noch heute findet man abenteuerliche Clips im Internet, wie mit Hilfe von Heißluftpistolen versucht wird, Prozessoren und andere Bauteile auf Platinen zu tauschen. Die Lötergebnisse: mehr als fragwürdig. Ersa musste viel Zeit und Energie investieren, die Anwender vom Mobiltelefon-Service-Center bis zur Elektronik-Industrie von der Infrarot-Technologie der eigenen Systeme zu überzeugen. Auch etablierte Hersteller von Heißgas-Reworksystemen taten damals alles dafür, die IR-Technologie zu torpedieren. „Angeblich würden die Bauteile zu heiß, der Prozess sei nicht kontrollierbar und reflektierende Oberflächen würden nicht heiß, der Anwender würde durch die IR-Strahlung geschädigt!“, erinnert sich Nolte an die verbalen Barrieren der frühen Jahre.

Die mittelwellige und damit weitgehend unsichtbare Strahlungswärme der keramischen Heizstrahler jedoch überzeugte: Anders als bei Quarzstrahlern ist ihr Strahlungsspektrum hervorragend geeignet, Metalle, Kunststoffe, Keramiken und Epoxidharze einer unbewegten Baugruppe zügig und homogen zu erhitzen. Die Temperatur-Unterschiede über ein Bauteil gemessen (Delta T) erreichten Werte von nur 6 °C und besser. Schnell war vielen Anwendern klar, dass der sensorgeführte Prozess eines mittelwelligen IR-Rework-Systems sogar Vorteile gegenüber den etablierten Techniken besitzt – das Lötprofil folgt aufgrund der genauen Temperaturregelung sehr präzise der Vorgabe. Die Bauteile und Baugruppen werden homogen und schonend erwärmt. Weil keine bauteilspezifischen Düsen benötigt werden, besteht freie Sicht zur Lötstelle und der Prozess kann mittels Kameras beobachtet werden.

Bleifrei-Repair

Während der Einführung der bleifreien Lote in 2006 stiegen mit den Schmelztemperaturen der Lotlegierungen (bleihaltig 183 °C, bleifrei ca. 217 °C) die Anforderungen an das Lötequipment und die Rework-Systeme. Höhere Temperaturen erzeugten kleinere Prozessfenster und viele Bauteilmaterialien mussten erst nachziehen. Eine exakte Prozessführung wurde immer wichtiger.

Das Ersa IR/PL 550 und sein größerer Bruder IR/PL 650 prägten die industrielle Baugruppenreparatur dieser Zeit. Als ein technisches Highlight wurde bei diesen Systemen erstmals die berührungslose Temperaturmessung mittels Pyrometer eingeführt. Durch die Anforderungen an die Reparatur großer und massereicher Leiterplatten aus dem Bereich IT-Infrastruktur entstand für einen amerikanischen EMS-Dienstleister mit dem Ersa IR/PL 650 XL das erste wirklich großformatige Rework-System. Die Nacharbeit wurde seither weiter professionalisiert, auch wenn einige Branchen sie weiterhin ausschließen. Untersuchungen wie der „Leitfaden Rework elektronischer Baugruppen“ des ZVEI (veröffentlicht 2017) zeigen, dass die professionelle Nacharbeit zu zuverlässigen Ergebnissen führt, wenn – wie im Linienprozess auch – alle wichtigen Parameter eingehalten werden. „Häufig ist es nicht das fehlende Zutrauen in den technischen Prozess, sondern es ist der mit der Reparatur verbundene Freigabeaufwand, der diese Zurückhaltung begründet“, sagt Jörg Nolte. An dieser Stelle ist eine tiefergehende Kooperation zwischen Anwendern, Geräteherstellern und Institutionen wünschenswert.

Nachhaltigkeit

Wertschöpfung zu erhalten und unnötigen Ausschuss wegen einer Brücke an einem QFP oder BGA zu vermeiden ist die erste Ebene nachhaltigen Handelns. Das von der EU-Kommission eingeforderte „Recht auf Reparatur“ bildet die Grundlage, Elektroschrott zu vermeiden und auch die Elektronikproduktion voranzubringen auf dem Weg zur Schonung von Ressourcen und hin zu einer Circular Economy. In der Industrie und in Service Centern werden weltweit täglich tausende Platinen mit Ersa Rework-Systemen bearbeitet und damit vor der zum Teil unkontrollierten Verschrottung bewahrt!

Ersa hat die Nachhaltigkeit auch auf einer weiteren Ebene definiert: Während in den vergangenen 25 Jahren etliche Anbieter für Rework-Systeme erschienen und wieder verschwanden, hat sich Ersa auch in diesem Bereich in der Elektronikbranche etabliert. Langjährige Kundenbeziehungen, ein vorbildlicher, weltweiter Service und sehr lange Ersatzteil-Verfügbarkeiten auch für bereits abgekündigte Produkte zeugen von dieser Philosophie. Sehr zur Freude von Produktmanager Jörg Nolte: „Wir erhalten heute Verschleißteilanfragen für Geräte, die vor 15 Jahren verkauft wurden – das ist doch toll!“

Ersa wird hybrid und automatisch

Die Hybrid-Technologie hält bei Ersa Rework-Systemen mit dem handgeführten HR 100 und dem automatischen Rework-System HR 600 Einzug. Die bewährte IR-Heiztechnik wird hierbei im Bereich der Obenstrahler durch einen Konvektionsanteil unterstützt. Damit wird die vom Strahler freigesetzte thermische Energie noch besser genutzt und das Zielbauteil schneller erwärmt. Nachteile, wie man sie von Heißgassystemen kennt, z.B. das Wegblasen kleinster Chip-Bauteile, entstehen aber nicht, weil mit sehr geringen Luftmengen gearbeitet wird.

Das 2012 vorgestellte HR 600 trägt zudem einem wichtigen Kundenwunsch Rechnung: mehr Automatisierung! Erstmals werden Entlötprozess, Bauteilplatzierung und Einlötprozess so miteinander verknüpft, dass der Bediener des Gerätes kaum noch Einfluss auf das spätere Ergebnis nimmt. Prozess-Sicherheit und -wiederholbarkeit rücken in den Fokus. Die Besonderheit des HR 600, das in der überarbeiteten Version bis heute eines der beliebtesten Reparatur-Systeme ist, liegt in der automatisierten Bauteil-Platzierung. Mit Hilfe zweier Kameras, Bildverarbeitung und einem hochgenauen Achssystem wird das Zielbauteil automatisch präzise auf die Leiterplatte positioniert und anschließend ebenfalls automatisch eingelötet. Für Produktivität und Prozess-Sicherheit in diesem Verfahren markiert das HR 600/2 einen Meilenstein.

Die neue Generation

Das Ersa Rework-Portfolio hat inzwischen weitere Mitglieder erhalten: „Beginnend mit dem HR 500, deckt die heutige Produktpalette bis zum HR 600 XL praktisch alle relevanten Kundenanforderungen der weltweiten Märkte und Branchen ab“, fasst Jörg Nolte die Positionierung der Marke Ersa zusammen. Dabei überzeugen die jüngeren Systeme sowohl durch ihre Technik als auch hinsichtlich der Anforderung einer einheitlichen Software-Plattform. „Der Benutzer muss sich kaum umgewöhnen, wenn er von einem zum anderen System wechselt – alles ist gleich aufgebaut“, skizziert Nolte. Dabei hatte Ersa mit dem ersten vollständig in Eigenregie entwickelten HR 550 relativ spät die Technologie ins Haus geholt. Jörg Nolte: „Es war für uns natürlich eine große Lernkurve, aber wir verfügen nun über die gesamte Engineering-Expertise und können damit viel besser auf Marktbewegungen reagieren. Gerade in der Softwaretechnik ist das heute ein entscheidender Faktor.“ Beim Flaggschiff der Produktlinie, dem HR 600 XL, konnten so von Kunden geforderte, funktionale Erweiterungen und Optimierungen schnell und mit hoher Qualität umgesetzt werden – mit einer erweiterten Untenheizung kann das System heute Baugruppen bis zu einer Größe von 625 x 1.250 mm bearbeiten, mit großen Heizköpfen Bauteile mit Kantenlängen über 100 mm!

Und was kommt als Nächstes?

Auf die Frage, ob denn nun alles geschafft sei nach 25 Jahren, schmunzelt Jörg Nolte und erläutert: „Im Prinzip ja. Aber die Entwicklung geht weiter. Und das ist auch gut so. Denn entgegen aller Prognosen müssen Baugruppen absehbar weiterhin nachgearbeitet werden.“ Aktuell befindet sich eine automatische Restlotentfernung für das HR 600 XL in der Markteinführung. Im Bereich der Sensorik arbeitet man an der Optimierung der berührungslosen Messtechnik.

Weitere Themen zur Genauigkeit der Systeme, der Weiterführung der Heiztechnologie finden sich ebenso auf der Roadmap wie zusätzliche Automatisierung und die Anbindung der Geräte an Manufacturing Execution Systeme (MES). Damit wird die Nacharbeit zum vollwertigen Teil des Produktionsprozesses im Sinne einer nachhaltigen Produktion. Ja, sogar der momentan stark strapazierte Terminus der künstlichen Intelligenz wurde schon diskutiert. Und natürlich muss die Bearbeitung neuer Bauteilformen ebenso im Blick bleiben wie die Kosten für die Herstellung der Geräte. Auf die Frage, was ihn am meisten freut an 25 Jahren Ersa Rework-Systemen, antwortet Nolte: „Es ist ein gutes Gefühl, dass wir unseren Kunden nützliche Werkzeuge an die Hand geben!“ Und was kommt als Nächstes? Bestimmt noch einiges aus der Ersa Rework-Ecke, denn entgegen vieler Prognosen werden auch künftig Baugruppen bearbeitet werden …

 

Gründe für die Nacharbeit an elektronischen Baugruppen:

  • Es liegt ein Defekt am Bauteil vor.
  • Es wurde das falsche Bauteil bestückt.
  • Das Bauteil wurde in der falschen Orientierung bestückt.
  • Ein Bauteil wurde schlecht gelötet (Brücken, offene Lötstellen etc.).
  • Ein Bauteil ist falsch programmiert.
  • Ein Bauteil wird für die Wiederverwertung gesichert (Recycling).
  • An der Baugruppe wird eine Änderung vorgenommen (Redesign).
  • Baugruppe wird als Muster aufgebaut und ein oder mehrere Bauteile werden nachbestückt (Prototyping).
  • An der Baugruppe werden Tests vorgenommen, z.B. Kreuztausch (Testing).
  • Daten eines Bauteils aus einer defekten Baugruppe müssen gesichert werden (Forensik).
jörg-nolte
Jörg Nolte
Product Manager Soldering Tools

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