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Mit Dunkel-IR zum Ziel

Das Lötprofil von Rework-Systemen bei der Reparaturvon BGAs
Mit Dunkel-IR zum Ziel

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Beim Aus- und Einlöten mit verschiedenen Reparatursystemen (Heißluft, Konvektion, sichtbares und Dunkel-IR) erwärmen sich Bauelement und Trägermaterial unterschiedlich. Deshalb ist zu klären, ob Schäden durch Überhitzung ausgeschlossen und optimale Lötergebnisse erreicht werden. Entscheidend sind die Fälle mit thermischen Randbedingungen.

Gerd Hänelt, Exportmanager, Ersa Lötwerkzeuge, Wertheim

Im Lötprozeß sind die thermischen Vorgänge sehr komplex. Der Wärmeaustausch durch Strahlung bzw. durch Konvektion sowie die thermische Masse und die Wärmeleitfähigkeit der Baugruppe sind von Ort, Zeit und Richtung abhängig. Darüber hinaus sind die Materialparameter im betrachteten Zeitraum streng genommen nicht konstant. Zum Beispiel wird metallisches Lot beim Einlöten zunächst flüssig und später fest. Dies führt zu einem wesentlich besseren thermischen Kontakt zwischen den verlöteten Partnern.
Untersuchungen der instationären Temperaturverteilung einer kompletten Baugruppe sind zwar möglich, doch dürfte die Übertragbarkeit auf den Rework-Bereich (einzelne Komponenten) wegen der großen Zahl von Einflußparametern sehr schwer sein. Daher haben wir die Vorgänge getrennt betrachtet, damit die verschiedenen Prozesse im Wärmeausgleich deutlich werden.
Erwärmung der Leiterplatte
Der örtliche Temperaturverlauf auf der Leiterplatte im Reflowprozeß ist ein thermischer Ungleichgewichtszustand. Er ist von der Wärmezufuhr bzw. -abfuhr, der Wärmekapazität der Baugruppe und der Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Baugruppe gekennzeichnet. Aus dieser Betrachtung der thermischen Verhältnisse auf der Leiterplatte ergeben sich je nach verarbeitenden Bauelement folgende Feststellungen für den Lötprozess in der Reparatur:
• Wärmestrahlung von der Unterseite
kommt, wenn nicht durch andere
Bauelemente
abgeschattet, direkt
durch die Leiterplatte
unter das Bauelement
• Durch die Konvektions-Abschattung läßt sich im schmalen Spalt zwischen Bauelement und Leiterplatte nicht die hohen Strömungsgeschwindigkeiten erreichen, die für optimalen Wärmeübergang notwendig sind
Ein weiteres Problem kann bei partieller Erwärmung von oben, von unten oder von oben und unten durch die XY-Ausdehnung im Substrat (FR 4) entstehen. Die Folge daraus ist eine Durchbiegung des Boards. Solche Durchbiegungen entstehen stets durch partielle Wärmezufuhr, z.B. mit einer Heißgasdüse, sie ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Substrats. Die partielle Abgrenzung von Heiß- und Kaltluftzonen bei einem Erwärmungsprozeß und die daraus resultierende Durchbiegung des Substrates bzw. der Baugruppe führt dazu, daß BGA-Bauelemente nicht plan aufliegen und daher schlecht zu löten sind.
Erwärmung von Bauelementen
Der Temperaturverlauf im Bauelement ergibt sich analog zur Leiterplatte, wenn die Materialkonstanten und Geometrien berücksichtigt werden. Als Beispiel haben wir hier ein BGA mit 169 Bumps herangezogen, bezogen auf den Reparatur-Lötprozess zunächst ein kritisch erscheinendes Bauelement.
Zwischen dem Ein- bzw. Auslötvorgang besteht ein Unterschied im thermischen Verhalten. Beim Einlöten sitzt das Bauelement zunächst mit seinen Anschlüssen in der Lotpaste, damit ist der thermische Kontakt zwischen Bauelement und Leiterplatte schlecht. Maßgebend ist der Temperaturverlauf unmittelbar an den Lötstellen auf der Leiterplatte, weil zwischen ihr und der Lotpaste eine flächige Anbindung und damit guter thermischer Kontakt besteht. Wenn die Schmelztemperatur des Lotes (circa 183 °C für eutektisches SnPb-Lot) überschritten ist, verschmelzen die Kügelchen in der Paste zu einem Volumen, und der Benetzungsvorgang beginnt. Die vom Bauelement aufgenommene Wärmemenge heizt dann hauptsächlich das Bauelement auf, bis das Lot schmilzt. Im Idealfall erreichen die Bauelementanschlüsse die Löttemperatur etwa gleichzeitig zur Leiterplatte. Mit dem Aufschmelzen des Lots und dem Benetzungsvorgang sinkt der thermische Widerstand zwischen Bauelement und Leiterplatte, und es kann ein nahezu vollständiger Temperaturausgleich angenommen werden. Beim Auslöten können durch gute thermische Ankopplung zwischen Bauelement und Leiterplatte kaum Temperaturunterschiede auftreten.
Mit Konvektionssystemen erreicht man die nötigen höheren Strömungsgeschwindigkeiten unter dem Bauelement nur am äußeren Rand des BGAs – wegen des geringen Spalts. Im Zentrum unter dem Bauelement sind nicht die Voraussetzungen vorhanden, um zwischen Leiterplatte und Lötanschlüssen einen gleichmäßigen Temperaturausgleich über die Fläche zu erreichen. Hier werden sich Temperaturdifferenzen ergeben. Die Randtemperaturen sind höher als die Temperaturen im Zentrum des BGAs. Somit muß davon ausgegangen werden, daß die Lotpaste bzw. Lötstellen, über die Fläche gesehen am BGA mit unterschiedlicher (am Rand überhöhter) Temperatur gelötet werden. Diese Temperaturerhöhung am Rand der Bauelemente wird durch den Skineffekt in einfach konstruierten Heißgasdüsen noch verstärkt. Gemeint ist der rotierende Luftstrom am Rand der Düsen und ein im Zentrum entstehender Luftstau, der den Wärmeübergang verlangsamt und zu großen Temperaturdifferenzen an der Oberfläche des Bauelementes führt.
Bei Erwärmung mit einem Dunkel-IR-Strahler von der Oberseite erfolgt der thermische Einschwingvorgang am BGA gleichmäßig über die gesamte Fläche des Bauteils. Gleichzeitig wird eine hervorragende thermische Ankopplung erreicht. Durch diese Art der Wärmezufuhr sind die Temperaturunterschiede sehr gering, weil der Wärmeeintrag auf den BGA flächig über die Balls erfolgt. Im BGA ist die Wärmeleitfähigkeit durch Leiterbahnen im Substrat nur etwa halb so groß. Daher können zusätzliche Temperaturdifferenzen auftreten, die den Lötvorgang der inneren Balls beeinträchtigen können.
Der Reflow-Lötprozess
Für den Rework-Prozeß wie auch die Se-rienfertigung gilt, daß in Anlehnung an CECC 00 802 auch unter Randbedingungen gute Lötergebnisse erzielt werden müssen. Hierzu ist die Baugruppe von unten vorzuheizen. Die Vorheizung sollte im Vergleich zur Bauelementfläche eine wesentlich größere Fläche auf der Unterseite der Baugruppe erwärmen. Gründe sind das schnellere Erreichen des thermischen Gleichgewichts der Baugruppe sowie die Verringerung zusätzlicher Temperaturdifferenzen in IC-Substrat und Leiterplatte. Damit wird ein partielles Durchbiegen der Baugruppe während des Reflow-Prozesses nahezu verhindert.
Die gleichmäßige Wärmezufuhr über die Oberfläche soll speziell bei BGAs durch Gehäuse und Substrat auf die Balls und die Leiterplatte erfolgen. Die Prozeßparameter sollten auf die Baugruppe einstellbar sein. Ist die Wärmeübertragung nicht gleichmäßig, sondern örtlich unterschiedlich, kann es zu Rissen zwischen dem vergossenen Gehäuse eines BGAs und seinem Substrat kommen. Dies geschieht auch bei zu hohen Temperaturen bzw. einer zu schnellen Temperaturanstiegsrate (ist aus Datenblättern zu entnehmen).
Die Entstehung von Voids (Lufteinschlüsse, Entnetzungen, Ausbrüche) sind bis zu maximal 10 % der Benetzungsfläche erlaubt. Studien der ICP in den USA ergeben, daß nun sogar bis zu 25 % erlaubt werden können. Die Bildung von Voids beruht auf zu schneller Erwärmung bzw. zu großen Temperaturdifferenzen zwischen Leiterplatte und Lotkugeln des BGAs. Sie ist wesentlich von den Eigenschaften der Lotpaste (Entmischung usw.) sowie des Siebdruckers abhängig.
Bei Konvektion ist, wie erwähnt, die Verteilung der Temperatur wegen der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten sehr ungleichmäßig, das ergibt unregelmäßige Lötergebnisse. Dies ist von System zu System je nach Düsenkonstruktion, Temperaturerfassung, Regelgeschwindigkeit und Strömungsgeschwindigkeit unterschiedlich. Doch der Reflow-Lötprozeß mit IR-Dunkelstrahlung bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Strahlungsintensität auf der Oberfläche der Bauteile (BGA). Bei Anwendung von Dunkel-IR beeinflußt die Wärmekapazität der Bauteile und der Leiterplatte (Streuungen von teilweise bis zu ±20 %) nur die Aufheizrate, jedoch nicht die Endtemperatur.
Zwangskühlung
Zwangskühlung ist nach dem Einlöten notwendig, da die Luft keine ausreichend schnelle Abkühlung sicherstellt. Als Folge bleibt das Lot zu lange im flüssigen Zustand und die Bleikristalle schwimmen aufgrund ihres Gewichtes nach unten, somit verschlechtert sich die mechanische Belastbarkeit der Verbindung. Eine weitere Gefahr besteht darin, daß das Bauelement verrutscht, solange das Lot flüssig ist. Außerdem verringert sich durch die Zwangskühlung die Temperaturbelastung der Bauelemente. Das Augenmerk bei Reparatursystemen muß daher auf die Randbedingungen wie großflächige Vorwärmung von unten, gleichmäßige Erwärmung über die gesamte Fläche des Bauelementes von oben, Temperaturerfassung usw. gelegt werden. Bei Heißluftsystemen ist zudem die Düsenkonstruktion von äußerst großer Bedeutung. Bei IR-Systemen spielt die Wellenlänge der Strahlen aufgrund von Absorbtion und Reflektion sowie die Methode der Wärmeübertragung eine entscheidende Rolle. Die Ergebnisse, die mit der Rework Station Ersa IR 500 A erzielt wurden, sind sehr positiv. Die Reparaturstation weist als Hauptheizquelle einen Dunkel-IR-Strahler mit großflächigen Untenstrahlern auf. Hinzu kommt ein patentiertes Blendensystem im Obenstrahler, Temperaturerfassung direkt an der Oberfläche der Leiterplatte sowie getrennte Temperaturregelung von Oben- und Untenstrahlern.
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