Az elektronikai gyártók egyre nagyobb figyelmet fordítanak a gyártásközi hibás termékek és a végfelhasználóknál meghibásodott berendezések javítására. A nagy bonyolultságú és nagy értékű elektronikai termékek minden követelményt kielégítő javítása összetett feladat. Az ipari feladatokat ellátó és megbízható infrastruktúrát biztosító termékekre ez fokozottan igaz, legyen bár szó például a kommunikációs hálózati infrastruktúra központi berendezéseiről (mint a switchek, routerek), vagy nagy adattároló rendszerek elektronikájáról

Ezekben a berendezésekben a drága és nagyszámú alkatrész tipikusan közepes vagy nagyméretű (>0,25 m²), és nagy rétegszámú (akár 20-25 réteg) nyomtatott huzalozású lemezekre van szerelve. A szerelőlemez és az alkatrészek összértéke ilyen termékeknél számos esetben meghaladja akár a 10000 eurót is.
A következőkben arról lesz szó, hogy ezek a nagy értékű áramkörök milyen kihívások elé állítják a javítással foglalkozó (elsősorban forrasztástechnológiai) szakembereket.

Újramunkálás (REWORK) és javítás (REPAIR)

A gyártásközi hibás termékek javítása („rework", vagy az erre talán legjobb magyar kifejezés szerint „újramunkálás") és a végfelhasználóknál meghibásodott termékek javítása („repair") forrasztástechnológiai szempontból (berendezések, anyagok, eljárások) nagyon hasonló, bár jellegükből adódóan van néhány figyelemre méltó különbség közöttük. Gyártásközi javítás esetén a javítandó termék végig kontrollált környezetben van, míg a felhasználóktól visszatérő termékek állapota a bekövetkező környezeti és egyéb hatások függvényében nagymértékben változó. Utóbbi esetben gyakori jelenség az erős szennyeződés, az esetenkénti jelentős mértékű korrózió, az egyes alkatrészek sérülése, valamint a normálműködésből is adódó elváltozások. Lényeges különbség, hogy a gyártásban jellemzően sokkal nagyobb kísérleti tapasztalat és több megbízható adat áll rendelkezésre a hibás alkatrészek optimális újramunkálási technológiájának kidolgozásához és végrehajtásához.

A nagy bonyolultságú kártyák javításának speciális szempontjai

A nagy bonyolultságú kártyák mérete tipikusan 380×400 mm körüli, de elérhetik akár az 500×700 mm-es méretet is, továbbá az akár 25 réteg miatt nagy hőkapacitással rendelkeznek. A javítási folyamat közben a hőközlés hatására ezek a szerelvények jelentősen deformálódhatnak (behajlás, csavarodás, delaminálódás), ami bizonyos alkatrészeknél forrasztási problémákat okozhat. Furatszerelt csatlakozók szelektív hullámforrasztása esetén a panel deformációja például elégtelen furatkitöltést vagy nyitott forraszkötéseket eredményezhet, nagyméretű BGA alkatrészek forrasztása esetén pedig a tapasztalatok szerint az alkatrész sarkaihoz közeli kötések között keletkezhet rövidzár.

A nagy lineáris méret és a nagy hőkapacitás speciális követelményeket támaszt a gépi javítóberendezésekkel („Rework station") szemben is. Jelentősen csökkenthető a deformáció okozta javítási hibák előfordulása, ha a berendezés képes a nagy kártyákat megfelelően rögzíteni, és a fűtési teljesítménye lehetővé teszi az optimálisnak vélt hőprofilhoz szükséges alsó előmelegítés biztosítását.

A nagy komplexitású kártyákon a számos felületszerelt alkatrész (pl.: chipkondenzátorok, QFP, SOIC kivitelű alkatrészek) és néhány furatszerelt komponens mellett jellemzően nagy számban megtalálhatók a különböző méretű BGA tokozású integrált áramkörök (1. ábra). A nagyméretű (akár 50×70 mm), sok kivezetéssel rendelkező BGA komponensek a forrasztási folyamat közben szintén hajlamosak a vetemedésre, amelynek következtében rövidzárak, nyitott kötések alakulhatnak ki. A nagyméretű BGA alkatrészek forraszgolyóinak méretbeli eltérése (koplanaritási hiba) szintén nyitott kötések kialakulásához vezethet. Megfelelő hőprofil és forraszpaszta alkalmazásával a problémák megfelelően kezelhetőek.

A különösen nagy igénybevételnek kitett, nagy megbízhatóságú áramkörök esetén egyes alkatrészeknél CCGA („Ceramic Column Grid Array") tokozást alkalmaznak, ami a BGA tokozásnál sokkal kedvezőbb mechanikai és megbízhatósági paraméterekkel rendelkezik. A CCGA alkatrészek kerámia tokozásúak, kivezetéseik magas olvadáspontú (~300 °C), tipikusan 90Pb10Sn összetételű forraszanyagból kialakított, relatíve magas (~2 mm) oszlopok, aminek köszönhetően a forrasztott kötések mechanikailag sokkal ellenállóbbak a BGA tokozású alkatrészeknél. A CBGA és CCGA alkatrészek a kerámiatokozás következtében nem vetemednek, ministencilen keresztül történő forraszpaszta-nyomtatás után megbízhatóan cserélhetők. Egyes BGA, CBGA és CCGA alkatrészek ára meglehetősen magas (akár 1-2 ezer euró), ezért a komponensek esetleges cseréjére jól felépített és precízen kontrollált folyamatot szükséges kialakítani.

A nagy komplexitású nyomtatott áramköröknél az alkatrészsűrűség a hordozó mindkét oldalán meglehetősen nagy. A forrasztási folyamat során biztosítani kell a cserélendő alkatrésszel szomszédos komponensek hőhatás elleni védelmét (pl. terelőlemezekkel), és ügyelni kell a túloldali alkatrészek sérülésének elkerülésére. Tükrözött BGA-konstrukcióval („Mirrored BGA design") rendelkező kártyák esetén biztosítani kell, hogy a túloldali alkatrész forrasztott kötéseinek hőmérséklete ne haladja meg az olvadáspontjukat.

Az ólommentes forraszanyaggal szerelt nyomtatott huzalozású kártyák javítása esetén a megnövekedett hőmérsékletigény következtében szűkebb a folyamatablak, és az előzőekben felsorolt problémák hatványozottabban érvényesülnek. Habár a szerverek, adattároló rendszerek és a hálózati infrastruktúra-berendezések a 2011/65/EU irányelv (RoHS-direktíva) alapján továbbra is határozatlan ideig felmentést élveznek a maximálisan megengedett ólomtartalomra vonatkozóan, bár napjainkban a gyártók ezen termékek esetében is fokozatosan áttérnek az ólommentes anyagok használatára. Számos esetben előfordul, hogy korábban ólmos forraszanyaggal szerelt alkatrészek ma már kizárólag ólommentes kivitelben érhetők el, ami a megnövekedett forraszanyag-olvadáspont miatt komoly kihívást jelenthet.

A javítás során felmerülő hibák

A chipalkatrészek, a kivezetőlábakkal rendelkező integrált áramkörök (pl.: SOIC, QFP) és a kisméretű furatszerelt alkatrészek forrasztása — megfelelő folyamat-paraméterek esetén — többnyire problémamentesen kivitelezhető. Finom raszterosztású QFP alkatrészek forrasztása esetén a rövidzár gyakori hiba, ezért a forrasztási folyamat közben és egy alapos vizuális ellenőrzés során mikroszkóp használata erősen ajánlott. Jellemző problémák lehetnek a rossz alkatrész-orientáció megválasztása, az alkatrészek és/vagy a panel megégetése, rövidzárak, nyitott kötések, ill. a nem megfelelő, forrasztás utáni tisztítás. A BGA alkatrészek cseréjének sikeres kimenetelét is számos emberi és technológiai tényező befolyásolhatja. Ebben az esetben is jellemző hibák lehetnek a rossz alkatrész-orientáció, rossz alkatrész-pozíció, a szomszédos, ill. egyéb alkatrészek sérülései, alkatrész/panel-delamináció (2. ábra), a panel sérülései, a forrasztási felület felszakadása (3. ábra), a forrasztási felületek nedvesíthetőségének lecsökkenése (4. ábra), kötések deformációja, nyitott kötések, vagy rövidzárak. Az előbb felsorolt hibák nagy része optikai mikroszkópos ellenőrzéssel és röntgenmikroszkópos vizsgálattal jól detektálható.

Vizsgálati és minősítési lehetőségek

Az újramunkálási, javítási folyamatot követően több módszer áll rendelkezésre az új kötések minősítésére. Alapvető roncsolásmentes vizsgálati módszer az optikai mikroszkópos vizuális ellenőrzés, amely kiválóan alkalmazható a chipalkatrészek, kivezetőlábakkal rendelkező integrált áramkörök és a furatszerelt alkatrészek forrasztásának minősítésére. Megfelelő méretű vizsgáló-tükör (mini inspection mirror) optikai mikroszkóp alatti használatával a BGA alkatrészek szélső kötéseiről is használható információ nyerhető. A BGA alkatrészek pereméhez közeli kötéseinek vizsgálatára optikai vizsgálórendszer, endoszkóp is alkalmazható. Az optikai mikroszkópos ellenőrzést követően a tok alatti, rejtett forrasztott kötésekkel szerelt BGA, LGA, QFN, CCGA tokozású alkatrészek forrasztásait röntgenberendezés segítségével is meg kell vizsgálni. A röntgenvizsgálatok során nehézségeket okozhatnak a túloldali és szomszédos alkatrészek, valamint az, hogy delaminációk, repedések csak speciális esetben fedezhetők fel ezzel a módszerrel. A kötések röntgenmikroszkópos képe azonban sokszor enged következtetni egyes jellemző hibákra (5. ábra).

Új termékek bevezetésénél a technológia validálása céljából, valamint a szokásosnál több kihívással javítható termékeknél célszerű roncsolásos hibaanalízis-vizsgálatokat végezni. A Dye&Pry (festékpenetrációs) teszt, a keresztcsiszolati analízis, valamint a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat (SEM) hatékony segítséget nyújthat a hibajelenségek detektálásában és ezek lehetséges gyökérokainak feltárásában.

Az EFI Services Kft. honlapja

Az EFI Services Kft. honlapjawww.efi-labs.com