Beim Prototyping und Rework immer kleinerer elektronischer Bauteile kommt die manuelle Bearbeitung zunehmend an ihre Grenzen. Dies erfordert den Einsatz automatisierter Systeme, bei denen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden sollten.
Bei Chip-Bauteilen hat die Gehäusegröße im Laufe der letzten Jahre ständig abgenommen. Dabei werden die kleinen Widerstände und Kondensatoren immer noch benötigt, auch wenn sich die Chip-Designs und die Integrationsraten für integrierte Schaltungen ständig verbessern. 0201-Gehäuse sind in der Elektronikproduktion Stand der Technik und kleinere Versionen drängen auf den Markt. Während Produktionssysteme wie Siebdrucker und Pick-and-Place-Maschinen die kleinen Chips perfekt verarbeiten können, stellen sich bei Nachbesserungs- und Reparaturprozessen verschiedene Fragen. Dazu zählen Hindernisse bei der Nachbearbeitung von 0201- und 01005-Bauteilen oder die Frage, welche Strategien und Geräte eine erfolgreiche Reparatur dieser extrem kleinen und empfindlichen Bauteile erlauben.
In der Elektronikindustrie verbessert sich die Produktionsqualität ständig. Höhere Automatisierung, bessere Ausrüstung und standardisierte Prozesse führen zu besseren Produktionsergebnissen.
„Da eine Null-Fehler-Produktion schwer zu erreichen ist, müssen Nachbesserungs- und Reparaturprozesse eingeführt werden, die den Qualitätsanforderungen der heutigen hochintegrierten und komplexen Elektronikprodukte gerecht werden.”
Neben den „Big Board Rework Challenges" sind professionelle Reparaturprozesse von kleinsten Chip-Bauteilen eine der verbleibenden Herausforderungen beim PCB-Rework. Anders als erwartet kommen kleine Chipkomponenten nicht nur in kompakten Anwendungen wie Smartphones, intelligenten Uhren oder Hörgeräten zum Einsatz, sondern auch auf großen Platinen.
Verarbeitung von Chip-Komponenten
Bild 1: Korrekte Platzierung der Chipkomponenten (Bild: ASM)
In der Produktion ist die Bearbeitung von Chip-Bauteilen hauptsächlich von den Toleranzen der Bauteile und den Parametern der Bestückungsautomaten abhängig (Bild 1). Zusätzlich ist der Siebdruckprozess entscheidend für das spätere Lötergebnis. Die Maschinenparameter und die Datenblattinformationen der Komponenten geben dabei den minimal möglichen Bestückungsabstand an. Diese Lücke definiert schließlich die mögliche Bestückungsdichte auf der Leiterplatte. Auf der anderen Seite kann die Bestückungsdichte die Fähigkeit zur Nacharbeit der Komponenten beeinträchtigen. Ist der Spalt zu eng, kann nicht ausgeschlossen werden, dass Reparaturarbeiten an einem Chip Auswirkungen auf die danebenliegenden Chips haben.
Bild 1: Korrekte Platzierung der Chipkomponenten (Bild: ASM)
Manuelle Nacharbeit von Chip-Bauteilen
Die Verarbeitung von 0201-Komponenten in der Linienfertigung ist heute Standard. Kleinere Versionen sind im Kommen und alle Gerätehersteller konzentrieren sich auf diese Anforderungen. Gleichzeitig ist die Situation bei der Nacharbeit anders. Dabei können folgende Parameter Hindernis für die erfolgreiche Entfernung und Installation der winzigen Chips in einer Nacharbeitssituation sein:
Dimensionierung und Handhabung der Komponenten
Visualisierung und Vergrößerung
Werkzeuge für Heizprozesse
Die reinen Abmessungen der kleinen Chip-Bauteile (0201: 0,6 x 0,3 mm; 0,024 x 0,012 Zoll und 01005: 0,4 x 0,2 mm; 0,016 x 0,008 Zoll) sind so klein, dass das manuelle Handling Geduld und Schulung erfordert. Das Aufnehmen der Komponente aus einem Gurt kann bereits schwierig werden. Es ist wichtig, die richtigen Handhabungswerkzeuge (Pinzette) zu haben, um die Chips sicher zu greifen und loszulassen. Pinzetten Materialien auf Kohlenstoffbasis sind dabei eine Alternative zu rostfreiem Stahl. „Klebeffekte“ behindern den Bediener manchmal beim Lösen des Bauteils, und natürlich dürfen die Spitzen nicht mit Flussmittel oder Lötpaste verunreinigt sein. Erfahrene Bediener können 0201er ohne jegliche optische Vergrößerung verarbeiten. Die Arbeit mit 01005ern erfordert allerdings eine optische Vergrößerung. Am häufigsten werden eine Lupe oder – noch besser – ein Stereomikroskop verwendet. Die Unterstützung durch optische Geräte, wie z.B. Kameras, ist für die Pad-Vorprüfung, den Lötprozess selbst und die endgültige Beurteilung des Lötergebnisses mehr als willkommen.
Was die Lötwerkzeuge betrifft, so werden üblicherweise manuelle Heißluftwerkzeuge verwendet. Auch Hybridsysteme (eine Kombination aus Infrarot-Heizung und Konvektion) haben sich als geeignet erwiesen. Entlötpinzetten werden ebenfalls häufig eingesetzt. Hier wird die Lötenergie direkt in die Lötstelle übertragen. Entlötpinzetten sind eine gute Möglichkeit, um das falsche oder defekte Bauteil zu entfernen.
Automatisierte Chip-Nacharbeit
Aufgrund dieser Einschränkungen bei der manuellen Nacharbeit ist es folgerichtig, höher automatisierte Prozesse im Chip-Reparaturprozess zu fordern. Gleichzeitig ist die Reparatur eine Aufgabe, bei der nicht immer mehrere gleiche Platinen in Folge bearbeitet werden. Daher müssen der Kostenaspekt und die Flexibilität im Fokus bleiben. Betrachtet man die einzelnen Schritte der Chip-Reparatur genauer, zeigen sich die folgenden vier Phasen:
Entfernung der Komponenten
Vorbereitung des Pads
Neue Komponente auswählen und platzieren
Löten des Bauteils
Das Entlöten einer SMT-Komponente mit einem Rework-System ist seit vielen Jahrzehnten ein etablierter Prozess. Bei kleinen Chip-Bauteilen verlangen einige Aspekte zusätzliche Aufmerksamkeit:
Das Auffinden der richtigen Position des Bauteils auf der Leiterplatte erfordert eine hochauflösende Kamera und ein präzises Achssystem. Andernfalls ist es unmöglich, das Bauteil während des Entlötprozesses abzuheben.
Bild 2: Düsendesign mit integriertem Filter zum Auffangen von Chip Bauteilen bei der Entfernung
(Bild: Ersa GmbH)
Die Vakuum-Aufnahmedüse muss die Haftkräfte des flüssigen Lotes überwinden. Es sind verschiedene Düsenkonstruktionen erforderlich, um den Chip nicht aufzunehmen, sondern auch abzusaugen (Bild 2).
Der thermische Prozess muss schonend und präzise sein, um die thermische Belastung der Baugruppe zu reduzieren. Geregelte hybride Heizverfahren haben bewiesen, dass sie diese Anforderungen erfüllen. Es ist bekannt, dass die Zuverlässigkeit der Lötstelle benachbarter Komponenten, wie bei anderen Chips, durch einen zusätzlichen Heizzyklus nicht beeinträchtigt wird, dennoch müssen empfindliche Komponenten in der Nähe geschützt werden.
Bild 2: Düsendesign mit integriertem Filter zum Auffangen von Chip Bauteilen bei der Entfernung
(Bild: Ersa GmbH)
Wenn das Bauteil von der Leiterplatte entfernt wird, müssen die Pads für eine neue Installation vorbereitet werden. Während dieser Phase sind verschiedene Optionen möglich, die auch vom anfänglichen Produktionsprozess, den Anforderungen und der Strategie des Anwenders abhängen. Da die Menge an Lot in einer 01005-Verbindung sehr gering ist, wird in vielen Fällen kein separater Abreinigungsprozess erforderlich sein. Die verbleibende Lotmenge ist nach dem Entfernen der Komponenten auf dem Pad sehr klein. Auch die Flussmittelrückstände sollten vernachlässigbar gering sein.
Die Flussmittelabscheidung oder das Hinzufügen von Lotpaste kann mithilfe einer Dosiervorrichtung oder mit einem manuellen oder integrierten Tauchtransferprozess erfolgen. Hierbei wird eine kleine Nadel in ein Pastendepot getaucht und eine definierte Menge an Lotpaste auf die Pads übertragen.
Bild 3: Platzierung einer 01005-Komponente (Bild: Ersa GmbH)
Die Bestückung von 01005-Komponenten ist wahrscheinlich der schwierigste Teil des gesamten Reparaturprozesses (Bild 3). In einer Produktionslinie sind Chip-Shooter oft die teuersten Systeme. Für die Nacharbeit ist das verfügbare Budget allerdings begrenzt. Gleichzeitig sollten Präzision und Wiederholbarkeit auch auf einem „produktionsgerechten" Niveau liegen. Wenn ein 01005-Chip gepickt werden muss, stellen sich also die einfachen Fragen: Wie macht man das und wie stellt man die Verwendung der richtigen Komponente sicher? Die manuelle Kommissionierung aus einem Behälter ist aus mehreren Gründen keine gute Wahl, denn:
Bild 3: Platzierung einer 01005-Komponente (Bild: Ersa GmbH)
Ist man sicher, nur die richtigen Komponenten im Behälter zu haben? Jeder, der schon einmal Schrauben aus einem Magazin entnommen hat, wird dieses Problem kennen.
Welches ist das richtige Werkzeug, um das Bauteil zu greifen und an der richtigen Stelle zum Aufnehmen freizugeben?
Wird das Bauteil zur Aufnahme ideal ausgerichtet sein? Diese Bauteile verhalten sich in der Praxis wie ein Ei, das auf seine Spitze gestellt werden soll.
Bild 4: Gurtzuführung zur Installation auf einem Rework-System (Bild: Ersa GmbH)
Die einzige vernünftige Lösung ist die direkte Aufnahme des Bauteils aus dem Gurt (Bild 4). Identifizierung, Orientierung und Transport sind hier am besten sichergestellt. Ein Gurt-Feeder ist erforderlich, um das Bauteil an einer definierten Position zu präsentieren und dem Rework-System zu ermöglichen, das Bauteil mithilfe der Bildverarbeitung zu finden. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass das Bauteil in der richtigen Ausrichtung auf der Düse sitzt.
Im Idealfall ist der Gurt einfach zu laden oder der Feeder besteht aus einer austauschbaren Einheit für verschiedene Bauteilgurte.
Bild 4: Gurtzuführung zur Installation auf einem Rework-System (Bild: Ersa GmbH)
Bild 5: Testplatine mit 01005-Overlay und Platzierungen (Bild: Ersa GmbH)
Wie bei der Entfernung der Chips, so ist auch bei der Pick-and-Place-Technik die Düsenkonstruktion wichtig. Größe und Material müssen zum Aufnehmen und Freigeben der Bauteile geeignet sein. Die Bildverarbeitung ist der letzte, aber ebenso wichtige integrale Bestandteil zur automatischen Handhabung der kleinen Chips. Die Bauteilausrichtung und die Pins müssen erkannt werden. Auf der Leiterplatte muss das System die geeigneten Lötpads finden und das beste Overlay (Bild 5) muss berechnet werden. Anschließend bewegt das Achsensystem das Bauteil in die Zielposition und setzt es auf das zuvor vorbereitete Lotpasten- oder Flussmitteldepot ab. Die thermischen Anforderungen an Chips sind in der Regel kein Thema. Dennoch sollten die Erwärmungsprozesse kontrolliert und schonend sein. Wie bereits erwähnt, neigen die leichten Bauteile dazu, sich bei intensiver Luftströmung aus ihrer Position zu verschieben. Eine hybride Erwärmungsmethode scheint die beste Methode zum Löten der Komponenten zu sein. Die Energieübertragung durch Infrarotstrahlung und ein konvektiver Anteil sind ideal. Weitere bauteilspezifische Düsen sind nicht erforderlich und während des Erwärmungsprozesses ist die Sicht auf die sehr kleine Lötstelle immer gegeben. Eine visuelle Prozessbeobachtung mit einer Reflow Prozess Kamera mit hoher Vergrößerung und Auflösung kann erfolgen.
Bild 5: Testplatine mit 01005-Overlay und Platzierungen (Bild: Ersa GmbH)
Ausblick
Da 01005 Chips und noch kleinere Komponenten in elektronischen Baugruppen immer häufiger vorkommen, ist es klar, dass die Nachfrage nach dem Prototyping und der Reparatur solcher Elemente steigen wird. Gleichzeitig werden die Prozesswiederholbarkeit und die Prozessdokumentation immer wichtiger. Kein Prozess ohne Dokumentation ist das Ziel. Alle OEMs und Auftragshersteller gehen hier in die gleiche Richtung, und die Systemlieferanten sind aufgefordert, integrierte hochautomatisierte Rework-Lösungen für alle Arten von Baugruppen und Komponenten anzubieten. Es ist absehbar, dass weitere Schritte in künftige Rework-Systemlösungen integriert werden: Komponentenverlustwarnungen sowie automatische Nachbestückungs- und Nachlötinspektionen sowie MES Anbindung sind nur einige Beispiele.
