Elektromobilität, Automation, autonomes Fahren, 5-Kommunikation und Industrie 4.0 sind aktuelle Megatrends, die mit einer umfangreichen Digitalisierung in vielen Lebensbereichen einhergehen. All dies erfordert elektronische Lösungen und zunehmende Rechenleistung in Systemen und Geräten. Für die Entwickler und Hersteller entsprechender Technologien bedeutet dies ein hohes Potenzial und gefüllte Auftragsbücher.

Elektromobilität, Automation, autonomes Fahren, 5-Kommunikation und Industrie 4.0 sind aktuelle Megatrends, die mit einer umfangreichen Digitalisierung in vielen Lebensbereichen einhergehen. All dies erfordert elektronische Lösungen und zunehmende Rechenleistung in Systemen und Geräten. Für die Entwickler und Hersteller entsprechender Technologien bedeutet dies ein hohes Potenzial und gefüllte Auftragsbücher. Gleichzeitig werden die Herausforderungen für den Fertigungsprozess von Elektroniken immer größer und das Bauteil- wie das Platinen Spektrum wird täglich komplexer. Damit steigen auch die die Herausforderungen im Bereich der Nacharbeit und Reparatur von elektronischen Baugruppen weiter. Neue Konzepte und automatisierte Anlagen werden benötigt.

Als Spezialist für Electronics Production Equipment befasst sich Ersa bereits seit den späten 1990 er Jahren mit der professionellen Nacharbeit von Baugruppen. Zu dieser Zeit, als das Ball Grid Array (BGA) noch ein recht junger Gehäusetyp für integrierte Schaltungen war, entstand das Prozesswissen zur selektiven Bearbeitung derartiger Surface Mount Devices im Rework.
Heute, gut 25 Jahre später, gehören BGA zu den unverzichtbaren Bestandteilen moderner und leistungsfähiger Elektronik. Sie sind in manchen Feldern Standard, wurden teileweise schon durch modernere, kostengünstigere Bauformen ersetzt und sind im Bereich der Hochleistungselektronik nicht wegzudenken. Bei 5G Anwendungen kommen BGA mit einer Kantenlänge von bis zu 110 x 110mm und einem Rastermaß von 0,6 mm bis 1,0 mm zum Einsatz. Ein einzelnes Bauteil hat bis zu 12.100 Lotkugeln.

Am gegenüberliegenden Ende der Bauteil-Skala finden sich die Winzlinge elektronischer Schaltungen: Bis heute unverzichtbar sind passive, diskrete, zweipolige SMD Bauteile. 01005 Chip Kondensatoren oder Widerstände mit Abmessungen von 0,4 x 0,2 mm sind inzwischen gängig und noch kleinere Versionen bereits im Einsatz.
Das Spektrum an Bauteilformen zwischen diesen Grenzwerten ist quasi kontinuierlich. Die Herausforderung für die Elektronikfertigung besteht also darin, sämtliche Bauteile im Linienprozess verarbeiten zu können und im Fehlerfall entsprechende Reparaturkonzepte zur Verfügung zu haben.

Sind Lötfehler vermeidbar?

Dass es zu Fehlern im Herstellungsprozess kommt, werden Experten der Branche jederzeit bestätigen. Zwar wurde die Anlagen- und Prozesstechnik in allen Bereichen der Herstellung in den letzten Jahrzehnten immer ausgefeilter, im gleichen Zeitraum aber kamen immer neue Herausforderungen hinzu. Stetig sinkende Rastermaße oder steigende Komplexität der Schaltungen sind nur zwei Beispiele.
Der Lotpastendruck beispielsweise ist immer noch für viele Lötfehler auf SMT-Baugruppen verantwortlich. Nur mit state-of-the-art Schablonendruckern, einer ausgefeilten Schablonentechnik (z.B. Stufenschablonen) und integrierter 3D-Inspektion können Druckfehler inline erkannt und korrigiert werden.
Bestückungsfehler oder der Einsatz falscher Bauteile und viele weitere Faktoren führen aber dazu, dass das Ziel der „Null-Fehler“- Produktion nicht immer erreicht werden kann.

Und was tut man im Fehlerfall?

Je nach Baugruppengröße und -beschaffenheit lassen sich heute alle Elektroniken erfolgreich reworken. Im Ergebnis sind Lötstellen zu erwarten, die der Qualität des fehlerfreien Herstellungsprozesses ebenbürtig sind. Nicht zuletzt der „Leitfaden Rework elektronischer Baugruppen“ des ZVEI[1] belegt, dass Prozesse für die Nacharbeit qualifizierbar und zuverlässig durchgeführt werden können.
Die oben genannten Bauteilformen werden heute auf sehr kleinen Baugruppen (z. Bsp. Hörgeräte) oder extrem großen Baugruppen (Serverboards, 5G Module) eingesetzt. Damit erhöhen sich auch die Anforderungen an den Reparaturprozess.

Mit aktuellen Ersa Rework-Systemen können Baugruppen bis zu einer Größe von 625 x 1250 mm (24 x 48 Zoll) bearbeitet werden. Der mittlerweile sehr hohe Automatisierungsgrad dieser Systeme gewährleistet sowohl eine hohe Prozess-Sicherheit als auch Reproduzierbarkeit bei der Nacharbeit.
Ganz gleich, ob ein 01005 oder ein großer BGA: Die Bauteile werden von den Ersa Rework-Systemen für die Platzierung aufgenommen, per Bildverarbeitung automatisch ausgerichtet und mit Hilfe eines Achssystems an der Zielposition abgesetzt und anschließend verlötet.

Für die Verarbeitung von Chip Bauteilen stehen am Ersa HR 600/3P sehr feine Düsen sowie eine Gurt-Zuführung zur Verfügung. Mit Hilfe des Dip-Transfer Verfahrens kann sogar das Lotpasten Depot für diese Miniatur Bauteile aufgefrischt werden. Hierbei wird mit einer Transfernadel Lotpaste aus einem Reservoir auf die Lötstelle übertragen.
Bei den großen BGA aber auch Land Gird Array (LGA) Bauteilen erfolgt die Identifikation der Anschlüsse ebenfalls vollautomatisch. Mit Hilfe der Dip&Print Station können die Bauteilanschlüsse automatisch in Flussmittel getaucht oder mit einer passenden Schablone mit Lotpaste bedruckt werden. Denn das korrekte Lotvolumen ist entscheidend für die Qualität der Lötung.

Während Chips sich in der Regel problemlos aus- und einlöten lassen, können große Bauteile sowohl einen größeren Heizkopf als auch eine hohe Abzugkraft beim Entlöten erfordern. Ein sehr leistungsfähiges Vakuum-System beim Ersa HR 600 XL mit großen Düsen oder Doppel-Düsen ist hier die passende Lösung.
Speziell bei sehr großen Platinen kommt der homogenen Erwärmung der Baugruppe eine besondere Bedeutung zu: Aufgrund der Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien neigen große Platinen dazu sich im Wärmeprozess zu verziehen. Eine ausgeklügelte Heiztechnologie sorgt für eine homogene Erwärmung mit minimalem Verzug: die IR Matrix Untenheizung am HR 600 XL kann die Baugruppe mit 25 einzeln ansteuerbaren Heizelementen individuell optimiert auf Temperatur bringen. Dabei lassen sich beispielsweise Randbereiche der Platine stärker erhitzen als das Zentrum oder einzelne Bereiche der Platine können weniger stark erwärmt werden, als andere („cold spot“). Unterstützungselemente im Leiterplattenrahmen halten die Platine während des Prozesses stabil in ihrer Position und verhindern eine Durchbiegung.

Bei den profil-gesteuerten Lötprozessen folgen die Systemheizungen der Ersa Hybrid Rework-Systeme den Messungen des führenden Regelsensors auf der Platine und sorgen auch bei diesem Prozess automatisch für reproduzierbare Ergebnisse. Äußere Einflüsse werden registriert und ausgeregelt. Der Systemanwender erhält zusätzlich mit den Reflow-Prozess Kameras der Geräte freie Sicht auf die Lötstellen und hat somit stets einen Überblick über den Prozessverlauf.
Ersa hat die umfassende Prozesskenntnis aus den Linienprozessen, um auch für die Nacharbeit moderner Baugruppen die passenden Rework-Lösungen anzubieten. Von 01005 bis 625 x 1.250 mm!

jörg-nolte
JÖRG NOLTE
PRODUKTMANAGER TOOLS, REWORK & INSPEKTION

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