BGA-Reballing in der Elektronikfertigung Kleine Kugeln, große Herausforderung

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Beim Reballing von Ball Grid Arrays (BGA) werden mitunter tausende winzige Lotperlen mit hoher Präzision neu auf die Unterseite der Bauteile aufgebracht. Doch lässt sich dieses etablierte Rework-Verfahren noch verbessern? Kraus Hardware verfolgt dazu verschiedene Ansätze.

Wie lassen sich tausende von Anschlüssen auf der Unterseite eines Bauteils unterbringen? Es gibt verschiedene Antworten auf diese Frage in der Elektronikproduktion – die „Kugelgitteranordnung“ (engl.: Ball Grid Array) ist aber vielleicht die spektakulärste. Sie kommt zum Einsatz bei SMD-Bauelementen (Surface Mounted Devices), die nur an der Oberfläche einer Platine aufgelötet werden. Die klassische Alternative „Durchsteckmontage“ entfällt also. In der Folge kann man sehr dichte und beidseitige Bestückungen ausführen, weshalb am Ende auch das Endprodukt viel kleiner ausfällt.

Lotdepots auf der Unterseite

Allerdings sind dazugehörige Lötprozesse keine ganz einfache Aufgabe, denn größere BGAs verfügen mitunter über Tausende winzige Lotdepots auf ihrer Unterseite. Beim Reflowlöten werden diese Kugeln dann aufgeschmolzen und verbinden sich mit den Kontaktpads auf der Leiterplatte. Und ja – trotz dieser tausendfachen Verlötung lassen sich die Bauteile auch relativ einfach wieder ablöten. Das erfolgt etwa mithilfe von Anlagen zur Nacharbeit und Bestückung von elektronischen Leiterplatten. Aber wann und wo ist das überhaupt nötig? „Es gibt eine ganze Reihe von Anwendungen“, erklärt dazu Andreas Kraus, Gesellschafter von Kraus Hardware. „Klassischerweise geht es hierbei etwa um das Refurbishing von Bauteilen oder die Beseitigung von allgemeinen Fertigungsfehlern. Außerdem kommt es vor, dass wir Verbindungen umlegieren oder einen Kreuztausch im Rahmen einer Fehlersuche vornehmen.“

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In der Praxis sind derartige Rework-Verfahren dann eine Aufgabe für Spezialisten mit Erfahrungswissen, denn für die Wiederverwendung werden die Anschlussflächen des abgelöteten BGAs vorbereitet und mit neuen Lotkugeln versehen. Experten sprechen hier von einem „Reballing“, wobei sich Kugeldurchmesser, -abstand und ‑anordnung je nach Bauteil unterscheiden. Minimale Werte zwischen rund 0,25 und 0,75 Millimetern sind hierbei die Regel. Außerdem sind auch dazugehörende Bauteile unterschiedlich groß. So verfügt etwa der Typ TCAL6408DTU von Texas Instruments über eine Grundfläche von 1,6 mm × 1,6 mm und 16 Balls. Der Ball-Durchmesser beträgt 0,25 mm bei einem Pitch von 0,4 mm. Im Unterschied dazu befinden sich auf dem sehr viel größeren Xilinx VSVA3340 VP1702 rund 3.200 Balls. Der Pitch liegt bei 0,92 mm und der Kugeldurchmesser bei 0,64 mm.

Systematische Prozesse bilden die Basis

Unter diesen Vorzeichen erfordert das Reballing eine sehr gewissenhafte Vorbereitung und basiert auf diversen Teilprozessen. Die Standards IPC-7711 oder IPC-7721 definieren diesen Ablauf rundum Nacharbeit, Reparatur und Modifikation:

• Zunächst wird die Leiterplatte zwischen 2 und 72 Stunden lang bei 120 Grad Celsius getrocknet – eine Vorsichtsmaßnahme, weil viele Kunststoffe und Platinenmaterialien mit der Zeit Feuchtigkeit aufnehmen. Beim schnellen Erhitzen im Reflow-Prozess würde dieses Wasser schnell „verdampfen“, was wiederum Risse, Blasen oder eine allgemeine Delamination auslösen kann. Um diese Defekte zu vermeiden, werden die Komponenten langsam getrocknet. Die Feuchtigkeit diffundiert ohne Schaden nach außen.

• Im zweiten Schritt startet das kontrollierte maschinelle Ablöten des BGA‑Bauteils. Dabei erfolgen zum Beispiel auch Temperaturmessungen und eine visuelle Kontrolle per Livebild. Hitzeempfindliche Bauteile im Umkreis werden abgedeckt, geschützt oder gegebenenfalls entfernt.

• Danach kommt es zum eigentlichen Reballing am Bauteil. Rework-Spezialisten, wie etwa bei Kraus Hardware, fertigen dazu eine Schablone an, auf der sich pro Anschluss eine Lotkugel befindet. Anschließend wird der Chip inklusive Sieb aufgeheizt. Auf diese Weise schmelzen die Lotkugeln auf und bilden eine Verbindung mit dem Bauteil.

Wie anspruchsvoll der letzte Teilschritt ist, macht ein Blick auf die erwähnte Schablone deutlich, denn das feine Netz aus winzigen Öffnungen darf keine Fehler aufweisen. Jede Öffnung muss groß genug sein, damit die Lotkugeln leicht hinein- und wieder herausgehen. Der Lochdurchmesser entspricht dabei aber nicht einfach dem Nenndurchmesser der Kugel. Vielmehr fließen denkbare Kugeltoleranzen, die Dicke der Schablone, Wärmeausdehnungen und einige Faktoren mehr in die Berechnungen ein, bevor die Produktion des Hilfsmittels startet. „In jedem Fall liegt die Herausforderung beim Reballing nicht allein in der Anzahl der Kugeln, sondern auch in ihrer exakten Geometrie und ihrem Aufbau. Besonders kleine Kugeln und Gehäusebauformen stellen hohe Anforderungen an Handling und Prozesssicherheit. Die Anfertigung der Schablone erfolgt deshalb mit großer Sorgfalt“, fasst Kraus die Aufgabe zusammen.

Die Qualität des Reballings auf dem Prüfstand

Anschließend stellt sich für Produktionsplaner aber eine entscheidende Frage: Wie gut ist die Qualität des Rework-Prozesses – sind die Balls etwa verrutscht, gibt es unerwünschte Größenunterschiede, Kurzschlüsse oder sogar fehlende Kugeln? Und auf welche Weise lassen sich solche Fehler systematisch aufdecken – rechtzeitig vor dem finalen Verlöten mit der Platine? „Diese Frage ist besonders interessant, wenn wir zuvor sehr viele Reballing-Prozesse ausgeführt haben“, betont Kraus. „Man stelle sich also beispielsweise vor, dass 100 BGAs mit jeweils rund 300 Balls zu prüfen sind. Das kann ein Mensch kaum leisten. Unter diesen Vorzeichen kamen wir bereits vor rund zwei Jahren auf die Idee, dafür 3D-AOI-Technologie zu nutzen.“

Nun ist dieser Ansatz sicher naheliegend. Immerhin können AOI-Systeme vollautomatisch diverse Details inspizieren. Typische Einsatzfelder sind etwa die Lotpasteninspektion oder eine finale Baugruppenprüfung. Dabei garantieren bis zu 360 Inspektions- und Projektionsrichtungen eine maximale Fehlererkennung. Allerdings gilt auch: Für die Ball-Inspektion wurde die Technologie bislang kaum etabliert.

40.000 Balls in einem Schritt prüfen

Unter diesen Vorzeichen konstruierte Kraus Hardware eine spezielle Aufnahme aus Aluminium, mit deren Hilfe man stabile Kunststoff-Trays auf dem Transportband in der Anlage zum Einsatz bringen kann, in denen sich wiederum die vielen BGAs befinden. Auf diese Weise ist das Bauteilsubstrat auf einer definierten Höhe – als Referenzpunkt für die Messung. Im zweiten Schritt starteten erste Versuche mit dem 3D-AOI-System, wobei sich exakt 126 BGAs pro Aufnahme in der Anlage befanden. Und das bedeutete: Es gab mehr als 40.000 zu prüfende Objekte beziehungsweise Lotdepots pro Aufnahme! „Letztlich wurde der gesamte Prüfprozess mithilfe von sechs Teilprozessen ausgeführt. Im Zentrum der Untersuchung standen Kugelgröße, fehlende Kugeln und Kurzschlüsse zwischen den Kugeln. Diverse Fehler wurden zuverlässig detektiert“, so Andreas Kraus. „Nichtsdestotrotz befinden wir uns hierbei in einer frühen Phase. Es sind noch viele Versuche mit anderen Gehäuseformen, Lotkugelgrößen und daraus resultierenden Pitch- oder Kugelabständen notwendig, um die Machbarkeit des Verfahrens nachweisen zu können.“

Nutzungsdauer von Elektronik verlängern

Überdies arbeitet Kraus Hardware an einer ganzen Reihe von Optimierungen im übergreifenden Themenfeld „Rework“ – und das in enger Kooperation mit vier anderen Unternehmen und dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Die Partner kooperieren im Forschungsprojekt „Infinite“, das ein klares Ziel hat: die Nutzungsdauer von Elektronik maßgeblich zu verlängern (Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter der Koordination von Projektträger Jülich). Dabei ist die Ausgangslage durchaus komplex, denn viele Elektronikbaugruppen werden nur für eine Anwendung ausgelegt. Anschließend wandern sie ohne Prüfung und Reparatur in den Müll, wobei dieses Problem bereits in der Designphase beginnt. Schließlich sind viele Designregeln nicht darauf ausgelegt, eine lange Lebensdauer und die mehrfache Wiederverwertbarkeit von Baugruppen sicherzustellen. Folglich ist es das Ziel von „Infinite“, hierfür eine bessere technologische Grundlage zu schaffen.

Dazu werden etwa typische Verschleißmuster und Schadensbilder von ausgewählten Referenzprodukten identifiziert. Zum Einsatz kommen Röntgenuntersuchungen, Radiografie sowie Tomografie, Mikroskopie, optische Deformationsmessungen und einiges mehr. Anschließend (und an dieser Stelle kommt dann auch das Reballing wieder ins Spiel) entstehen Musterbaugruppen, die teilweise eine spezifische Reparatur durchlaufen haben und teilweise eben nicht. Deshalb lassen sich in den nachfolgenden Tests auch Unterschiede zwischen reparierten und nicht-reparierten Baugruppen erkennen, wobei die Lebensdauer im Fokus steht. „Unsere Arbeitspakete in diesem Projekt umfassen neben dem laserbasierten Reballing auch Verfahren zur Beschichtungsentfernung, Röntgenuntersuchungen, Temperaturprofilanalysen und einige mehr. Insgesamt leiten wir daraus bestimmte Vorgaben ab, anhand derer man bei der Reparatur vorgehen sollte“, betont Andreas Kraus.

Fazit: Einem hohen Niveau verpflichtet

Am Ende bleibt ein Blick auf die Zukunft des Verfahrens: Wird das Reballing noch wichtiger für Rework-Prozesse im Elektronikbereich? „Pauschal lässt sich das kaum beantworten. Immerhin kommen kontinuierlich mehr BGAs zum Einsatz. Allerdings lohnt es sich in vielen Anwendungsbereichen nicht, ein aufwendiges Reballing auszuführen. Dafür sind die Kosten zu hoch“, so Andreas Kraus. „Bei teuren Industrieanlagen, Fahrzeugen oder älteren Maschinen sieht es hingegen etwas anders aus. Hier gibt es oft keine Ersatzteilversorgung mehr für die dazugehörende Elektronik. In diesen Fällen sorgen wir per Reparatur dafür, dass die Systeme wieder stabil laufen. Auch und gerade anspruchsvolle Prozesse wie das Reballing spielen dabei eine entscheidende Rolle.“ (sb)

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