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Mittwoch, 12 Januar 2022 10:59

Denn wer böse Streiche macht, Gibt nicht auf den Lehrer acht [1]

von
Geschätzte Lesezeit: 4 - 7 Minuten
Abb. 1: Max und Moritz Abb. 1: Max und Moritz

Man kennt die Geschichte: Lehrer Lämpel bekam die schlechten Schüler zu spüren. Dass es gute und schlechte Schüler gibt, liegt ja teils an den Eltern und teils an den Lehrern. Also gibt es auch gute und schlechte Lehrer. Dabei wäre alles ganz einfach, denn B. F. Skinner[2] hat augenfällig vorgeführt und die psychologische Grundlage dargelegt, wie man Tiere und Menschen zum Lernen und Wohlverhalten motivieren kann.

plus 2021 12 0030Abb. 2: Schematische Darstellung eines ReparaturvorgangsAuch in der elektronischen Fertigung kann man mit diesem Wissen Erfolge erzielen. Einerseits versucht man ja zumindest in Großfertigungen zu einer (beinahe) fehlerfreien Methode zu kommen, denn der schlaue Manager weiß, dass Reparaturen weit teurer sind als die eigentliche Fertigung. Amerikanische Militärs postulierten vor langer langer Zeit, dass eine Lötstelle in der Produktion gerade mal $ 0,48 kostete, während eine Reparatur solch einer Verbindung mit zwischen $ 7,00 und $ 15,00 zu Buche schlug. Längst hat sich diese Diskrepanz weiter verschoben, nicht nur weil wir Inflation mit einbeziehen müssen, sondern auch weil sich die Produkte sehr verändert haben.

Auch die buchhalterischen Ausfallskosten von einigen 1000 €/h bei Stillstand einer Linie sind mittlerweile antiquiert und gelten wohl nur noch für wenige sehr langsame Anlagen. In Großproduktionen – etwa bei Mobiltelefonen – erwartet man ja alle zehn bis zwanzig Sekunden eine fertig gelötete Leiterplatte. Besonders kleine und besonders große Bauteile stellen die lieben Arbeiterinnen vor immer größere Probleme und hier macht sich dann das Studium der Lehren Skinners bezahlt.

Anweisungen, wie man alles ‚richtig' macht bei der Nacharbeit, finden sich zuhauf im Internet und man muss schon genauer hinschauen, um das Wertvolle von der Reklame zu trennen. Hier kommt also der Lehrer ins Bild, der entweder seine eigenen Interessen verfolgt und etwas verkaufen möchte oder aber echte Hilfe anbietet.

Die Lehrerin kann nun eine Strategie verfolgen, die Schritt für Schritt den Prozess darlegt oder aber annehmen, dass ein gewisses Vorwissen vorhanden ist, und dann vor möglichen Fehlern zu warnen.

Zu allererst muss ja mal der Fehler gefunden und geortet werden. Dazu braucht man eine Definition des Fehlers, denn eine Lötstelle, die der Inspektion nicht gefällt, nur zu verschönern ist nicht nur teuer sondern verschlechtert auch meist ihre Qualität und Haltbarkeit. Bei funktionalem Ausfall bleiben einem zwei Alternativen: Entsorgung oder Reparatur.

Angenommen die Qualitätskontrolle hat gut und intelligent gehandelt, dann landet die Leiterplatte in der Reparaturschleife. Jetzt kommt es darauf an, wie diese organisiert ist. In kleineren Betrieben zieht jemand den heißen Lötkolben aus dem Halter oder fährt die Reparaturstation hoch. In größeren hofft man, dass der ganze Vorgang jetzt bis ins kleinste Detail ausgelegt ist.

Dennoch können auch da immer wieder Fehler auftreten. Nehmen wir mal an, ein großes BGA muss ersetzt werden, ohne dass das nämliche Bauteil gleich wiederverwendet wird. Fachleute wissen, dass eine gewisse Häufigkeit der hier gemachten Fehler tabuliert werden kann. Schauen wir uns einige davon mal an:

Verwerfen oder Verbiegen des Bauteils

Abb. 3: Kopfkissenfehler im RöntgenbildAbb. 3: Kopfkissenfehler im RöntgenbildJe dünner der Bauteilkörper, desto öfter bemerkt man dieses Vorkommnis. Manchmal biegen sich die Ecken und Ränder nach oben, andere Male nach unten. Im ersteren Fall treten oft sogenannte ‚Kopfkissenfehler' auf, die dann sehr unsichere Verbindungen darstellen. Ansonsten sind Brücken oder zerquetschte Pastendepots das Resultat. Beides wohl nicht gern gesehene Ergebnisse, denn eine nochmalige Reparatur verbietet sich meist, weil die Zahl der thermischen Exkursionen eh an die Grenze getrieben wird.

Beim Verbiegen schaut man sowohl auf die Leiterplatte wie auch auf das Bauteil. Die Leiterplatte sollte gut unterstützt sein und von unten (schwer bei beidseitig bestückten Baugruppen) auf ca. 100 bis 120 °C erwärmt werden. Wenn möglich sollte der Bereich, bei dem auf der anderen Seite das Bauteil positioniert ist, noch weitere 20 bis 40 K abbekommen, also auf 120 °C getrieben werden.

Das Bauteil wird dann möglichst mit Konvektion (Stickstoff) auf die nötige Reflowtemperatur gebracht. Auch Infrarotlampen, gelegentlich als Zusatz zur Konvektion kommen zum Einsatz. Der Wärmeanstieg sollte recht langsam passieren, um die Temperatur auf dem gesamten Bauteil gleich zu halten. Etwa höchsten 10 K als ΔT über die gesamte Fläche des BGAs ist angestrebt. Reflow erfolgt dann etwa bei 20 bis 30 K über dem Liquidus der verwendeten Lotlegierung. Die Zeit sollte kurz gehalten werden. Man strebt hier um die 60 Sekunden an.

Einer der Gründe für solche Reflowprofile und –vorgaben hat mit dem Flussmittel und der Benetzung zu tun. Bei höheren Temperaturen verdampft oder zersetzt sich der aktive Teil des Flussmittels oder reagiert mit Metalloxiden, so dass letztendlich keine Säuren mehr vorhanden sind. Da aber zum Beispiel der Kopfkissenfehler eben eine mangelnde Benetzung kund gibt, wäre der Verbrauch des Flussmittels eben einer der Indikatoren.

Der Einsatz von Stickstoff ist hier ein Hilfsmittel. Aber die richtige Auswahl des Flussmittels ist eine kitzelige Angelegenheit. Einerseits wünscht man sich ein aktives Verhalten, doch das erkauft man sich meist mit ekeligen und gefährlichen Rückständen, die unter großen BGAs sehr schwer zu entfernen sind.

Ein größeres Pastendepot wäre angesagt, doch auch hier muss berücksichtigt werden, dass es ein Balancespiel zwischen zerdrückter Paste, Brücken und Kurzschlüssen und eben einer ordentlichen Lötstelle statt des Kopfkissenphänomens ist.

Bevor man Paste aufträgt, muss dafür gesorgt werden, dass die Landeflächen planar gestaltet sind, ansonsten erzielt man keinen ebenmäßigen Depot. Ob man mit Minischablonen oder mit Dispensern oder mit Jettingmethoden an den Pastenauftrag herangeht, hängt von dem Können, der Konstellation auf der Leiterplatte sowie den Möglichkeiten in der Firma ab.

Abb. 4: Verwerbiegen und Abweichung in z-Richtung eines BGAsAbb. 4: Verwerbiegen und Abweichung in z-Richtung eines BGAs

Schädigung benachbarter Bauteile durch Wärmeeinwirkung

Abb. 5: Schutz gegen ÜberhitzungAbb. 5: Schutz gegen ÜberhitzungModerne Baugruppen sind ausnehmend eng bestückt und zwar mit vielen großen und thermisch sensiblen Bauteilen. Da es beinahe unmöglich ist, die Wärme auf das zu bearbeitende Bauteil zu beschränken, muss man Sorge tragen, dass keine Kolateralschäden bei der Reparatur anfallen, die dann den ganzen Aufwand zunichte machen.

Sofort bemerkt man, dass gewisse Aspekte bei der Reparatur sich widersprechen. Einerseits will man die Bauteile und deren Lötstellen gegen thermische Belastungen schützen, andererseits erhitzt man die (gesamte) Baugruppe auf 100–120 °C damit nur geringe Verwerfungen erfahren werden. Alterungen der Löststellen reduzieren deren Zuverlässigkeit und einige Bauteile können sowohl am Plastikkörper wie auch im Innern geschädigt werden. Hinweise und Testmethoden findet man bei der IPC oder dem ZVEI.

Als Gegenmaßnahmen und um den Luft- bzw. Stickstoffstrom von benachbarten Bauteilen wegzuhalten, werden Abdeckungen angebracht. Oftmals sind das spezielle Metallblechteile, die gut angepasst sind. Manchmal verlässt man sich auf hitzebständiges Kapton-Klebeband, das aber eine gewisse Fingerfertigkeit beim Personal voraussetzt.

Elektrostatische Aufladung

Noch ein paar Bemerkungen zu einem Thema, das oft übersehen wird. Elektrostatische Entladung hinterlässt oft einen unbemerkten Schaden in empfindlichen Bauteilen. Folglich ist es beim Reparaturzyklus eine Überlegung wert, wie das Produkt geschützt wird. Es geht ja nicht nur um die Arbeiterin, sondern um den gesamten Vorgang. Konvektion mit trockenen Gasen führt zu einer Aufladung, die dann beim Abheben des Produkts vom Gerät zur Schädigung führen kann. Da die Abstände in den Bauteilen immer geringer werden und die beim Betrieb verwendete Spannung sich stetig nach unten bewegt hat, sind schon geringe und sehr kurzzeitige Stromentladungen gefährlich.

Was dagegen hilft, ist Erdung, die jedoch über hohe Widerstände geführt werden muss und ununterbrochen eingehalten sein muss, denn genau dort wo in solch einer Kette eine Unterbrechung wäre, schlägt der elektrische Teufel zu.

Literatur und Anmerkungen:

IPC J-STD-075
B. Wettermann: Top 5 BGA Rework Challenges to Overcome (2016), Proceedings of SMTA International, 2016, Rosemont, IL, USA
Rework of Electronic Assemblies, ZVEI – Zentralverband Elektrotechnik und Elektronikindustrie e. V., German Electrical and Electronic Manufacturers’ Association, PCB and Electronic Systems Division, Lyoner Strasse 9, 60528 Frankfurt am Main, Germany
B. Wettermann: Multiple Methods for Applying Paste Flux or Solder Paste for BGA Rework

Referenzen:

[1] Max und Moritz, eine Bubengeschichte in sieben Streichen, von Wilhelm Busch; Dreiundfünfzigste Auflage; 1906, München, Verlag von Braun und Schneider
[2] Burrhus Frederic Skinner (1904 bis 1990) www.biography.com/scientist/bf-skinner 

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 12
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Prof. Rahn

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