Reballing von BGAs, LGAs und Co.: Maximale Präzision auf minimaler Fläche
Reballing von BGAs, LGAs und Co.: Maximale Präzision auf minimaler Fläche
Kleine Kugeln – große Herausforderung: Das Reballing von Bauteilen stellt eine besondere Herausforderung im Rework dar, denn nur ein abgesicherter Gesamtprozess – vom Restlot entfernen bis zur abschließenden Kontrolle – garantiert perfekte elektrische Verbindungen. Hierbei punktet einerseits das Erfahrungswissen von Kraus Hardware. Andererseits arbeitet das Unternehmen im Rahmen von Forschungskooperationen wie „Infinite“ an neuen Prozessen, die das Verfahren weiter verbessern.
Wie komplex ein Reballing-Prozess ist, zeigt sich bereits auf den ersten Blick: Größere BGAs verfügen mitunter über mehrere tausend winzige Lotperlen auf ihrer Unterseite, die für das nötige Lotdepot sorgen. Das Ganze gleicht einem hochpräzisen Raster, wobei sich Kugel-Durchmesser-Abstand und ‑Anordnung je nach Bauteil unterscheiden. Minimale Werte zwischen rund 0,25 und 0,75 Millimetern sind hierbei die Regel. Dazu zwei Beispiele aus der Arbeit von Kraus Hardware:
- Der Typ TCAL6408DTU von Texas Instruments misst gerade einmal 1,6 x 1,6 mm². Sein Ball-Durchmesser beträgt 0,25 mm bei einem Pitch von nur 0,4 mm.
- Beim Xilinx VSVA3340 VP1702 mit rund 3.200 Balls liegt der Pitch bei 0,92 mm und der Kugeldurchmesser bei 0,64 mm.
Gründe für das Reballing
Aber in welchen Anwendungsbereichen wird eine solche Kugelstruktur auf der Unterseite der BGAs oder LGAs überhaupt neu aufgebracht – das Ganze also „reballt“ vor dem anschließenden Verlöten? „Es gibt eine ganze Reihe von Anwendungen“, antwortet Andreas Kraus, Gesellschafter von Kraus Hardware. „Wir verwenden das Verfahren etwa beim Umlegieren von RoHS- auf non-RoHS-Materialien, beim Refurbish von Bauteilen oder beim Kreuztausch im Rahmen einer Fehlersuche.“ Und: Auch bei der Beseitigung von allgemeinen Fertigungsfehlern, dem Nachbestücken von Bauteilen oder dem Einsetzen von Risern sowie Interposern (bspw. zum Messen von Signalen) spielt das Reballing eine zentrale Rolle.
Der dazugehörige Prozess ist in jedem Fall eine Aufgabe für Spezialisten, denn ohne mikrometer-genaue Präzision drohen fehlerhafte Verbindungen. Kraus Hardware setzt in diesem Zusammenhang auf die Standards IPC-7711 oder IPC-7721, die den Ablauf definieren:
1. Leiterplatte mit Bauteil trocknen: Viele Bauteile und Leiterplatten sind feuchtigkeitsempfindlich. Deshalb werden alle Komponenten gemäß J‑STD-033 getrocknet – zwischen 2 und 72 Stunden lang bei 120 Grad.
2. Bauteil ablöten: Der gesamte Prozess erfolgt maschinell mithilfe der Anlage ONYX 29 von ZEVAC. Dabei erfolgen zum Beispiel auch Temperaturmessungen und eine visuelle Kontrolle per Livebild. Hitzeempfindliche Bauteile im Umkreis werden abgedeckt, geschützt oder sogar entfernt.
3. Restlot absaugen: Die Absaugdüse der Maschine fährt über das Bauteil mit einem Abstand von 0,5 bis 1,0 Millimetern ab. Das Ganze ist also berührungslos, weshalb Beschädigungen an dem Bauteil vermieden werden.
4. Reballing: Eine individuelle Schablone sorgt dafür, dass sich die winzigen Lotkügelchen an der richtigen Position auf dem BGA befinden. Anschließend wird der Chip inklusive Sieb aufgeheizt. Auf diese Weise schmelzen die Lotkugeln auf und bilden eine Verbindung mit dem Bauteil.
Je kleiner die Kugel, desto größer die Herausforderung
Speziell der eigentliche Reballing-Prozess profitiert in entscheidender Weise von Erfahrungswissen, denn Experten von Kraus Hardware müssen das Layout des Bauteils bewerten: Welche Größe und Positionierung haben die Balls und was für prozessspezifische Parameter kommen beim Reballing zum Tragen? „Auf dieser Basis erstellen wir eine neue Schablone“, so Andreas Kraus. „In jedem Fall liegt die Herausforderung beim Reballing nicht allein in der Anzahl der Kugeln, sondern auch in deren exakter Geometrie und Aufbau. Besonders sehr kleine Kugeln und Gehäusebauformen stellen hohe Anforderungen an Handling und Prozesssicherheit.“
Im Fokus von Forschungskooperationen
Interessanterweise arbeitet das Unternehmen auch und gerade in diesem Themenfeld an gezielten Optimierungen. Das betrifft zum einen die Frage, wie sich die Qualität des Reballing absichern lässt. Hier könnte zukünftig die 3D-Technologie eine fundierte Antwort liefern: Aktuell testen Spezialisten von Kraus Hardware, wie man die AOI (Automatische Optische Inspektion) bei der Ball-Inspektion zum Einsatz bringen kann (mehr dazu hier). Mehr als 13.000 Balls werden dazu in einem einzigen AOI-Prüfablauf untersucht.
„Im Übrigen arbeiten wir an alternativen Methoden zum Reinigen der Bauteile im Rahmen des Forschungsprojektes Infinite, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird und an dem sich fünf Unternehmen sowie ein Fraunhofer Institut beteiligen“, fasst Andreas Kraus zusammen (mehr dazu unter einem Foto auf dieser Seite sowie hier). „In jedem Fall garantieren wir unseren Kunden, dass wir hochanspruchsvolle Prozesse wie das Reballing auf einem hohen Niveau ausführen. Der Prozess erfolgt dazu komplett in-house – inklusive der Herstellung von Sieben mit einer CNC-Maschine. Am Ende stehen perfekt aufbereitete BGAs, die bereit sind für den nächsten Einsatz in der Produktion.“
Die Siebe zum Positionieren der Balls werden bei Kraus Hardware inhouse gefertigt.
Die Balls bilden ein hochpräzises Netzwerk.
Dieses BGA hat eine Abmessung von nur 1,6 mal 1,6 Millimetern.
Nach dem Reballing erfolgt ein Reinigungsprozess.
Die Nutzungsdauer von Elektronik deutlich verlängern – dieses Nachhaltigkeitsziel steht im Zentrum des Forschungsprojektes „Infinite”, an dem sich neben Kraus Hardware auch das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS sowie die Unternehmen arxes-engineering GmbH, AUCOTEAM GmbH, dresden elektronik ingenieurtechnik gmbh und Vossloh Rail Inspection beteiligen. Gefördert wird das Ganze durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter der Koordination von Projektträger Jülich (PtJ). Mehr dazu hier.