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SMT-ähnlich und doch anders?

Array-Packages wie BGA, LGAs, LLPs und CSPs nachbearbeiten
SMT-ähnlich und doch anders?

SMT-ähnlich und doch anders?
Bild 1. Beispiel einer graphischen Darstellung eines bleifreien Profils
Die Begriffe „Kleiner, schneller, billiger, besser“ klingen inzwischen etwas abgedroschen , denn jedes dieser Kriterien ist in der heutigen Elektronikfertigung selbstverständlich. Wenn überhaupt, dann hat die momentane, schwache Wirtschaftlage die Bauteilminiaturisierung nur noch gesteigert und den globalen Zwang nach Kostenreduzierung erhöht. Mit weniger mehr erreichen, das darf keine Zukunftsvision mehr sein, sondern ist eine Notwendigkeit, die sofort in die Tat umgesetzt werden muss – und das besser gestern als heute. Offensichtlich werden die Geräte und Prozesse, die von modernen Elektronikfertigungen eingesetzt werden, dahingehend weiterentwickelt, dass sie den genannten Triebkräften des Marktes entsprechen. Noch funktionellere Bauteile mit geringerem Profil und kleineren Maßen werden ein Teil dieser Evolution sein. Daher kommt die „plötzliche“ Popularität solcher Bauteile wie Land-Grid-Arrays (LGAs) oder Leadless-Lead-Frame-Packages (LLPs) und Chip-Scale-Packages (CSPs).

Thomas Moog, OK International, Groß-Gerau

Für die Herstellung von Mobiltelefonen, PDAs und Digitalkameras sind sie die beliebtesten Packages – nicht nur wegen ihrer geringen Größe und hohen Funktionalität, sondern auch aufgrund der niedrigen Fertigungskosten. Besonders CSPs zeichnen sich durch die Geschwindigkeit, Dichte und gute Verarbeitbarkeit auf, die für OEMs und Lohnbestücker so wichtig sind. Da sie darüber hinaus mit den heute standardmäßigen SMT-Prozessen und – Anlagen verarbeitet werden können, erreichen Designer und Hersteller mit CSPs mit weniger mehr.
Nachbearbeitung stirbt nicht aus
In mancher Hinsicht ist es schon ironisch: Elektronikfertigungen sind höher automatisiert denn je: Bestücker, Öfen, Dispenser etc. arbeiten mit nie gekannten Geschwindigkeiten. Es scheint logisch, dass der Bedarf für Nachbearbeitung dadurch sinkt. Tut er aber nicht. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. Baugruppen mit höhe-rer Dichte und mehr Lötanschlüssen und kleine Packages erfordern unausweichlich mehr Nachbearbeitung. Mehr Lötanschlüsse bedeuten ein höheres Defektrisiko – und damit mehr, nicht weniger Nachbearbeitung.
Aber die Nachbearbeitung selbst hat sich verändert. Einst das „verschwiegene Geheimnis“ von CEMs und OEMs, und lange als Gewinn-beeinträchtigender Prozess angesehen, ist die erfolgreiche Nachbearbeitung einer Baugruppe (mit Einsparungen von Produktionszeit und -material) oft ein Schlüsselfaktor für die kurz- und langfristige Rentabilität. Hier zeigen Chip-Scale-Packages ihre ganze Stärke. Im Gegensatz zu Flip-Chips erfordern viele CSPs keinen Underfill, wenn sie keine flexible Schicht zwischen den Lotkugeln und dem Die aufweisen. Daher können sie „einfacher“ nachbearbeitet werden – vorausgesetzt, man hat das richtige Gerät und gut geschulte Bediener.
Theoretisch ist Nachbearbeitung gleich Nachbearbeitung – sei es bei einfachen SMT-Bauteilen, fortschrittlichen Packages oder 0201-Bauteilen. Ganz gleich, welcher Bauteiltyp, die Prozessschritte sind ähnlich. Der Schlüssel zu effektiver CSP-Nachbearbeitung ist allerdings nicht in den Ähnlichkeiten, sondern den Unterschieden zu suchen und in den Werkzeugen, mit denen die Aufgabe schnell und effi-zient bewältigt werden kann.
Grundlegende Prozessschritte
Die grundlegenden Schritte zur Entfernung und Neubestückung von CSPs sind klar:
• Erstellung des thermischen Profils,
• Entfernung fehlerhafter Bauteile,
• Reinigung und Vorbereitung des Arbeitsbereichs,
• Neuplatzierung des Bauteils mit Flussmittel oder Lötpaste,
• Reflow-Löten und
• Inspektion.
Selbstverständlich ist Konvektion im Vergleich zu thermischer Strahlung die geeignetere Wärmmethode, da sie eine bessere Prozesskontrolle ermöglicht. Und das ist für die Erstellung eines guten, wiederholbaren thermischen Profils, mit dem das Bauteil nicht überhitzt oder zu lange auf einer Temperatur „über“ Reflow gehalten wird, unerlässlich. Der Einsatz eines Lötkolbens (Konduktion) kommt nicht in Frage.
Für die Erstellung eines idealen Profils sind Erfahrung und Geduld notwendig, auch wenn die grundlegenden Anforderungen für ein Profil bekannt sind.
Standard-Reflow
Der Standard-Reflow-Prozess (Tabelle 1) ist besonders dann kritisch, wenn mit bleifreien Baugruppen gearbeitet wird. Die höheren Temperaturen für bleifreie Prozesse (bis zu 225 °C) zusammen mit der Wärmeempfindlichkeit von CSPs können dann problematisch sein, wenn die Temperatur nicht so gesteigert werden kann, ohne dass die Packages dabei nicht beschädigt werden. Moderne Nachbearbeitungssysteme weisen meistens vier Heiz- und eine Kühlzone auf. Die meisten älteren Systeme arbeiten mit einem traditionelleren Drei-Zonen-Modell ohne Kühlzone. Wird einem Nachbearbeitungssystem eine regelbare Vorwärmezone hinzugefügt, so ist das System bereits einen Schritt weiter, zukünftigen Prozessanforderungen, einschließlich Bleifrei, zu entsprechen. Durch eine effiziente, kontrollierte Vorwärme werden thermische Schäden vermieden, die dann auftreten können, wenn teure, aber empfindliche Packages verarbeitet werden, die nicht für Temperaturen über 240 °C bei kurzen Reflow-Zeiten geeignet sind. Die Dauer über der spezifizierten Reflow-Temperatur liegt bei einigen bleifreien Reflow-Prozessen bei nur 15 Sekunden. In Tabelle 2 wird ein typisches Bleifrei-Profil mit Spitzentemperaturen von etwa 223 °C bis 235 °C und nur 15 Sekunden in der Reflow-Zone gezeigt. Das bedeutet, dass eine äußerst präzise Temperatur- und Profilkontrolle überaus wichtig sind.
Unabhängige Heizelemente auf der Ober- und Unterseite sind essentiell, um die Packages vor der erhöhten Temperatur der bleifreien Prozesse zu schützen. Kurz gesagt, für die sich immer mehr durchsetzenden bleifreien Legierungen muss das thermische Profil noch sorgfältiger entwickelt werden, damit die neuen Legierungen mit Reflow gelötet werden können, ohne dass CSP/BGA/LLP-Packages beschädigt werden.
Mit regelkreisgesteuerten Zeit-, Temperatur- und Luftstromparametern erleichtern moderne Nachbearbeitungssysteme dem Bediener den Wechsel zu bleifrei. Außerdem, und mindestens ebenso wichtig, garantieren erweiterte Prozesskontrollfunktionen eine Wiederholbarkeit, die vor allem für Unternehmen wich-tig ist, die mehrere Fertigungen an unterschiedlichsten Standorten unterhalten. In vielen Fällen beeinflussen unterschiedliche Spannung und Frequenz die Maschinenleistung.
Bei jedem Reflow-Lötsystem, mit dem beide Seiten einer Leiterplattenbaugruppe erwärmt werden, ist die erforderliche Lötanschlusstemperatur eine Funktion aus der Wärme, die an beide Seiten abgegeben wird. Während es aber möglich ist, eine bestimmte Lötanschlusstemperatur mit unterschiedlichen Temperatureinstellungen zu erreichen, kann eine falsche Kombination dieser Einstellungen zu niedrigeren Ausbeuten, und in manchen Fällen katastrophalen Ergebnissen führen. Ein Beispiel sind Verwölbungen aufgrund zu hoher Temperaturen auf der Oberseite, durch die es häufig zur Brückenbildung in den Ecken von BGA- und CSP-Packages kommt.
Genau hier kann ein erfahrener Bediener eine wichtige Rolle für die erfolgreiche Nachbearbeitung spielen, wenn er mit Systemen arbeitet, die eine präzise Regelung zulassen. Minimale Verwölbungen, durch die ein BGA beispielsweise nur um 0,1 mm (0,005 Zoll) über das Bauteil hinweg angehoben wird, können zu offenen Schaltkreisen führen. Sogar wenn Leiterplatte und Bauteil den Prozess ohne offensichtlichen Defekt überleben, wird der Anschluss andauernd dadurch belastet, dass die Leiterplatte zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehrt. Langfristige Zuverlässigkeitsproblem sind die Folge. Um Verwölbungen zu vermeiden, muss normalerweise eine ausgewogenere Balance zwischen den Vorwärmtemperaturen der Ober- und der Unterseite gefunden werden. Am besten wird dies durch Vollkonvektion erreicht, genau wie bei den Reflow-Öfen der Produktionslinien.
Konvektion und Luftströmung
Konvektionssysteme setzen entweder eine hohe oder niedrige Luftströmung ein. Bei der Nachbearbeitung von CSPs sind Systeme mit niedriger Luftströmung zu bevorzugen. Wie bereits erwähnt, befinden sich CSPs üblicherweise auf dichtbestückten Leiterplatten, so dass der Freiraum äußerst gering ist und benachbarte Bauteile während der Nachbearbeitung schnell versehentlich mit erwärmt und verschoben werden. Bei Systemen mit hoher Luftströmung erhöht sich das Risiko der Bewegung benachbarter Bauteile – die Ausrichtung wird ruiniert und vermehrte Nachbearbeitung ist die Folge. Bei Systemen mit niedrigen Luftströmungsraten von weniger als 15 l/min und einem speziellen Reflow-Düsendesign für niedrige Luftströmung ist das Risiko der Bauteilbewegung sehr viel geringer.
Nach dem Reflow-Prozess werden die Bauteile normalerweise mit Vakuum angehoben. Hierbei ist darauf zu achten, dass ein zu starkes Vakuum das Lot zusammenfallen lassen kann. Es bleibt möglicherweise an der Leiterplatte haften und erschwert damit die Reinigung.
Reinigung
Nachdem das Bauteil entfernt und die Pad-Integrität überprüft wurde, wird der Arbeitsbereich für die Aufbringung eines neuen Bauteils vorbereitet. Lotrückstände werden vorzugsweise mit einer Lötlitze entfernt, um ebene Pads zu erzielen (wichtig, wenn Lötpaste für die Neuplatzierung aufgetragen werden soll). Bei Leadless-Lead-Frame-Packages muss dieser Vorgang durchgeführt werden. Bevorzugt man kuppelförmige Pads, so wird nur Flussmittel aufgetragen und eine Wellenlötspitze ist für die Reinigung am geeignetsten. Dieses Verfahren kann natürlich nur eingesetzt werden, wenn die Pad-Geometrie gleichförmig ist. Anderenfalls hätte man unterschiedlich hohe Lötanschlüsse. Ist die Methode anwendbar, gilt sie als das zuverlässigere und weniger schädliche Verfahren zur Entfernung von Lotrückständen. Für diesen Zweck sind spezielle Lötspitzen, sogenannte „Huf-Spitzen“ erhältlich.
In beiden Fällen wechseln viele Nachbearbeitungen von dem“traditionellen“ Lötkolben hin zu solchen Geräten, die die Lötspitzentemperatur automatisch regulieren, um thermische Schäden zu vermeiden und um den Reinigungsprozess zu beschleunigen, indem die Heizparameter nicht ständig nachjustiert werden müssen. Generell ist jedes Gerät zu bevorzugen, das eine erhöhte Prozesskontrolle gewährleistet, d.h. Abweichungen durch Bedieneingriffe reduziert und eine exakt gleiche Nachbearbeitung von Fertigungsstätte zu Fertigungsstätte ermöglicht. Während die Industrie sich nach China und an andere weit entfernte Fertigungsorte bewegt, wird die Anforderung nach transparenten Werkzeugen, nämlich solchen, mit denen das Rätselraten um die richtige Einstellung eliminiert wird, dramatisch steigen.
Materialauftrag – Ein neuer Ansatz
Bei der Verarbeitung von Array-Packages kann sowohl Flussmittel (Tauchtransfermethode) als auch Lötpaste für die Neuanbringung verwendet werden. Welches Material das geeignete ist, hängt vom Bauteiltyp und/oder der Lotkugel-zusammensetzung ab. In beiden Fällen muss der Bediener dem Materialauftrag große Aufmerksamkeit schenken. Die Genauigkeit des Lot- oder Flussmittelauftrags hat direkten Einfluss auf die Anschlussgröße und die Ausbeute. Bei einem konventionellen SMT-Bauteil kann beispielswei-se ein Defekt wäh-rend der Nachbearbeitung relativ einfach durch eine Nachbesserung wieder gut gemacht werden. Handelt es sich dagegen um ein Array-Package, muss wegen eines einzelnen fehlerhaften Lötanschlusses der gesamte Nachbearbeitungsprozess wiederholt werden.
Beim Lotpastenauftrag werden noch immer Schablonen eingesetzt, um die Lotpaste auf die Leiterplatte aufzutragen, jedoch mit großen Schwierigkeiten und deutlich reduzierter Ausbeute. Diese traditionelle Methode des Pastenauftrags verursacht Probleme, da Planheit und Position der Schablone kritische Faktoren sind und es außerdem zu Platzproblemen kommt, wenn benachbarte Bauteile in nächster Nähe platziert sind.
Auf eine dicht bestückte Leiterplatte zu drucken ist aufgrund der Größe und Packaging-Dichte um die Bauteile herum schwierig. Heutzutage werden kleine Chip-Bauteile häufig sehr nah an Packages platziert. Um dieses Problem zu entschärfen, wurde eine Methode entwickelt, mit der auf das Package gedruckt wird. Die Paste wird mit der Standardstärke aufgetragen, die auch während der Montage verwendet wird, aber eben direkt auf das Package. Bei Anwendung dieser Methode kann das Lotvolumen beim Nachbearbeitungsprozess kontrolliert werden. Direkt auf das Bauteil zu drucken ist ein relativ einfacher Prozess. Über eine speziell geformte Platte wird die Lötpaste mit der gleichen Größe und der gleichen Formgebung auf das Bauteil aufgetragen, wie das ursprünglich vom Inline-Schablonendrucker getan wurde. Ziel ist es, annähernd das gleiche Lötpastenvolumen aufzubringen wie bei diesem originalen Fertigungsprozess.
Beim direkten Auftragsverfahren wird Lötpaste auf das Bauteil aufgebracht, bevor es vom Bestückkopf aufgenommen wird. Der neue Prozess ist nicht nur simpel, er ist auch schnell und erhöht die Produktivität um das vier- bis fünffache im Gegensatz zum herkömmlichen Schablonendruck. Das Verfahren ist vor allem für kleine Bauteile und solche Situatio-nen ideal, in denen benachbarte Bauteile den Zugang für traditionelle Schablonen einschränken.
Bei der Arbeit mit LGAs wird der Umriss des Bauteils benutzt, um es zur Schablone auszurichten. Der Direktdruck auf das Bauteil ist bei LGAs mit unterschiedlichen Pad-Dimensionen auf dem gleichen Bauteil besonders nützlich, da unterschiedliche Lotmengen mit gleicher Höhe auf die Bauteilunterseite gedruckt werden können. Man sollte beachten, dass die Flussmittel- und Ziehlötmethoden zur Padreinigung bei diesen Bauteilen nicht eingesetzt werden können.
Bei Packages mit Lotkugeln können diese selbst für die Ausrichtung der Schablone benutzt werden. Bei LGAs gibt es allerdings keine Lotkugeln, an denen positioniert werden könnte. In diesem Fall wird die Schablone gemacht, um den Bauteilkörper zu lokalisieren, indem an der Ecke des Bauteils selbst ausgerichtet wird.
Bauteilplatzierung
Um höhere Prozessausbeute und Qualität zu erreichen, ist ein Zwei-Bild Visionsystem erforderlich. Das Bauteil wird ausgerichtet, mit Vakuum aufgegriffen und platziert und mit Heißluft oder Gas reflowgelötet. Das thermische Profil für die Bauteilentfernung wird wieder eingesetzt, damit das neue Bauteil während der Anbringung nicht beschädigt wird. Allerdings kann eine Veränderung des Profils je nach Flussmittel- oder Lötpastentyp erforderlich sein.
Automatisierte Bestückfunktionen und bessere Visionsysteme auf neueren Nach-bearbeitungssystemen können die Genauigkeit verbessern. X- und Y-Achsenkontrolle sind Standard und notwendig – hochwertigere Maschinen weisen eine motorisierte Z-Achsenregelung auf, um die Bauteile auf die exakt richtige Höhe zu platzieren, ohne die Paste zu zerdrücken. Genauigkeitswerte von 0,025 mm (0,001 Zoll) sind für eine präzise, wiederholbare CSP- und LLP-Platzierung ideal.
Inspektion
Bei Bauteilen mit Anschlussdrähten können fehlerhafte Lötanschlüsse und Kurzschlüsse problemlos bei einer optischen Inspektion mit niedriger Vergrößerung erkannt werden. Bei CSPs und anderen Array-Packages erfordert die Inspektion der Lotkugeln (Größe, Positionierung, Auftragsgeometrie etc.) entweder ein Röntgensystem und/oder ein optisches Inspektionssystem, um unter die Bauteile zu sehen. Die Röntgeninspektion kann bestimmte Defekte aufzeigen, wie beispielsweise Hohlräume, Kurzschlüsse und Brückenbildung. Ebenso schwerwiegende Probleme, wie Bauteilöffnungen oder Anschlussbrüche und nur teilweise gelötete Anschlüsse sind dagegen nicht so leicht zu erkennen. Auch gibt es Dinge, die ein Röntgensystem gar nicht erkennt – prozessabhängige Probleme wie nicht gelötete Anschlüsse, Flussmittelrückstände und körnige Anschlüsse. Um solche Fehler aufzuzeigen, werden optische Inspektionssysteme bevorzugt, die einen Endoskopähnlichen Mechanismus einsetzen. Durch die Fortschritte in der Optik und mit verbesserter Software können moderne optische Inspektionssysteme bis zu 90% aller Fehler erkennen – und machen daher oft teure und zeitaufwendige Röntgensysteme überflüssig.
Wo bereits ein Röntgensystem benutzt wird, kann ein optisches Inspektionssystem als ergänzendes Werkzeug eingesetzt werden – als erster Inspektionsschritt, bevor die Baugruppen zum Röntgensystem weitergeleitet werden. Allerdings gibt es einige Anforderungen an eine effektive optische Inspektion. Bei der heutigen Packagedichte muss ein Inspektionssystem zwischen den Bauteilen manövrieren können – in Zwischenräumen von nur 1,1 mm (0,043 Zoll). Manche endoskopischen Systeme können dies bewerkstelligen, andere nicht. Für eine vollständige optische Inspektion müssen die Systeme in der Lage sein, bei geringem Abstand unter die Array-Packages zu gucken. Bei micro-SMD beispielsweise bis zu 0,05 mm (0,002 Zoll).
Eine weitere Schwierigkeit: unterhalb eines typischen BGAs oder CSPs befindet sich eine große Anzahl von Lötanschlüssen und eine 100%ige Inspektion ist unter Umständen nicht praktikabel oder kosteneffizient. Trotz-dem sind sowohl die optische wie auch die Röntgeninspektion wesentliche Werkzeuge für eine gute Prozessentwicklung.
Fazit
Während Bauteile allgemein immer kleiner, billiger und komplexer werden, gewinnen CSPs, LLPs und andere Array-Packages immer mehr an Beliebtheit. Und trotz steigender Automatisierung bleibt die Nachbearbeitung ein integraler Teil einer erfolgreichen Elektronikfertigung. Die Nachbearbeitung, im Besonderen von CSPs, ist schwierig – besonders beim heutigen Trend nach höherer Leiterplattendichte, lokal getrennten Fertigungsstätten, der Anforderung nach wiederholbarer Prozesskontrolle sowie niedrigeren Arbeitslöhnen für diejenigen, die die Nachbearbeitung im Endeffekt ausführen.
Die Nachbearbeitung von CSPs unterscheidet sich in vieler Hinsicht nicht sehr von der von SMT-Bauteilen. Eine effektive Bearbeitung erfordert die Anpassung existierender Prozesse an die „unsichtbaren“ Lötanschlüsse und temperaturempfindlichen Bauteile. Auch die Geräte müssen weiterentwickelt werden. Bessere Visionsysteme, präzisere Temperaturprofilerstellung, genauere Bestückung und Prozesswiederholbarkeit müssen auf jedem Nachbearbeitungssystem Standard sein. Die Frage ist nicht, ob man sich mit diesen neuen Packages beschäftigen muss, sondern nur mehr „wann“.
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