Leiterplatten nach dem Rework-Prozess Repariert vs. manipuliert

Eine vergossene Sub-Leiterplatte mit BGA-Bauteil nach dem Polierschritt.
Eine vergossene Sub-Leiterplatte mit BGA-Bauteil nach dem Polierschritt.

Eine von HTV durchgeführte Studie für das Bundesamt für Sicherheit versucht zu klären, welche Unterschiede reparierte bzw. manipulierte Baugruppen nach einem Rework zeigen, welche Untersuchungsverfahren dafür eingesetzt werden können und die besten Analyseergebnisse erzielen.

Durchgeführt wurde die Analyse an Testleiterplatten und Leiterplatten von Mobiltelefonen. 

Analyse an Testleiterplatten: 

Um die Änderungen an den Lötstellen detailliert beobachten und analysieren zu können, haben die Experten in einem ersten Schritt Testleiterplatten mit SOP-, BGA- und QFN-Bauteilen bestückt und deren Zustand, im Weiteren als Original bezeichnet, erfasst.

Anschließend wurden bei zwei unterschiedlichen Herstellern von Rework-Systemen drei von sechs Bauteilen eines Typs auf jeder Testleiterplatte getauscht (im Weiteren bezeichnet als Rework A und Rework B).

Danach erfolgte der Vergleich der Bereiche mit und ohne Rework auf den manipulierten Testleiterplatten mit dem Originalzustand. 
Die einzelnen Testleiterplatten (LP) stellen einen Nutzen von Sub-Leiterplatten mit Lötflächen für jeweils sechs Bauteile (BT) mit den Gehäusetypen SOP, QFN und BGA dar. Die Sub-Leiterplatten lassen sich bei Bedarf leicht aus der Testleiterplatte heraustrennen.

Weil Leiterplatten mit BGA-Bauteilen standardmäßig ENIG- (Electroless Nickel Immersion Gold) Lötoberflächen aufweisen, erhielten auch die Testleiterplatten ein ENIG-Finish. Die manipulierten Sub-Leiterplatten sind für die spätere Wiedererkennung mit „(m)“ gekennzeichnet. J-BGA1(m) ist also der erste BGA, der manipuliert wird, auf der Testleiterplatte mit dem Buchstaben J.

Die Arbeitsschritte
Zur Manipulation wurden die folgenden Änderungen an den Bauteilen auf den Testleiterplatten durchgeführt:

  • SOP: Pro LP drei Bauteile ablöten, LP reinigen, neues BT in Lotpaste dippen oder LP bedrucken und BT mit Anlage oder mit der Hand einlöten.
  • BGA: Pro LP drei Bauteile ablöten, LP reinigen, neues BT oder altes BT mit Reballing in Flussmittel dippen und BT mit Anlage einlöten.
  • QFN: Pro LP drei Bauteile ablöten, LP reinigen, neues BT mit Lotpaste bedrucken und BT mit Anlage einlöten.

Untersuchungsergebnisse 
Die Leiterplatten weisen bei beiden Rework-Systemen nach dem Rework dunkle Verfärbung und teilweise auch mechanische Verformungen auf. Bei den Pins der SOP-Bauteile zeigen sich sowohl bei der Handlötung als auch bei Rework B ein auffälliger Unterschied in der Lotmenge. Beim Handlöten gelangte Lötzinn auf die Oberseite der Pins und bei Rework B war aufgrund zu großer Öffnungen in der Lotpastenschablone zu viel Lötzinn auf die Leiterplatte vor dem Lötprozess aufgetragen worden.

Die BGA-Bauteile zeigen eine Verfärbung der Balls, falls zusätzliches Flussmittel (etwa IF8300) vor dem Lötprozess manuell auf die Balls aufgetragen wird. Wenn die Bauteile hingegen nur in eine Schale mit Flussmittel gedippt werden, besteht kein deutlicher visueller Unterschied zwischen den manipulierten BGA-Balls und dem Original. Bei den QFN-Bauteilen zeigt sich ebenfalls ein Unterschied in der Lotmenge nach dem Rework-Prozess, sowohl in der Gesamtmenge als auch an der Stirnseite.

Analyse von Schliffbildern
Mithilfe von Querschliffen durch ein Bauteil oder eine elektronische Baugruppe ist es möglich, in den seitlich aufgenommenen Schliffbildern das metallografische Feingefüge der Lötstelle zu analysieren, Materialanalysen durchzuführen und Schichtdicken zu vermessen.

Wie bei der visuellen Analyse weisen auch die SOP-Pins im Schliffbild einen Unterschied bei der Lotmenge im Vergleich zum Original auf. Während Rework A dem Original sehr nahe kommt, zeigt Rework B eine deutlich größere Lotmenge bei den SOP-Pins, und bei den von Hand gelöteten Bauteilen sind Lotreste auf der Oberseite der Pins als dünne Schicht erkennbar (Bild 1).

Bei den BGA-Balls sind im Schliffbild im metallografischen Feingefüge keine deutlichen Unterschiede zum Original erkennbar, da es sich in beiden Fällen um eine vergleichbare Zinn-Silber-Kupfer-Legierung handelt. Bei den Bauteilen, an denen hingegen ein Reballing durchgeführt wurde, zeigt sich ein deutlicher Größenunterschied bei den Balls (Bild 2). 

Die Schliffbildanalyse der QFN-Kontakte  zeigt mehrere Auffälligkeiten (Bild 3). Zum einen ist der Abstand zwischen Leiterplatte und Bauteilanschluss nach dem Rework etwas größer (vgl. Tabelle 1), zum anderen hat sich bei Rework A das gesamte Lötzinn unter den QFN-Kontakt gezogen.

Analyse der intermetallischen Phase
Bei elektronischen Bauteilen und Baugruppen sind auf dem Kupferträgermaterial unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen (zum Beispiel Zinn oder Gold) aufgebracht, die das Grundmaterial vor Korrosion durch die Umgebung schützen und für einen Erhalt der Lötbarkeit sorgen. Durch innere Diffusionsprozesse kann aber das Gold in Kupfer (bei der Leiterplatte) und das Kupfer in Zinn (beim elektronischen Bauteil) diffundieren. Für die Leiterplatte bedeutet das, dass nach kurzer Zeit keine schützende Goldoberfläche mehr vorhanden ist, und für den elektrischen Kontakt des elektronischen Bauteils, dass sich nach kurzer Zeit Kupfer in der Zinnbeschichtung befindet und dort eine intermetallische Phase (IMP) bildet. Die intermetallischen Phasen weisen einen höheren Schmelzpunkt auf als das Reinzinn und können im Lötprozess nicht mehr aufgeschmolzen werden. Um den Diffusionsprozessen entgegenzuwirken, bringen die Hersteller in der Regel eine Nickelsperrschicht zwischen Kupfer und der Oberflächenbeschichtung auf. 
Bei den QFN-Bauteilen existiert diese Nickelschicht aber nicht, daher eignen sich diese Bauteile besonders gut für die Analyse der IMP. Wie Bild 4 veranschaulicht, wächst die IMP durch einen Lötprozess an. Beim Vergleich zwischen manipulierten und originalbestückten Bauteilen konnte beim Wachstum der IMP aber kein Unterschied festgestellt werden. Dies lässt sich damit begründen, dass die Rework-Systeme die Temperaturen im Lötprozess sehr genau nachbilden, die nicht manipulierten Bauteile nur für kurze Zeit auf etwa 100 °C erwärmt werden und in diesem Bereich die Wachstumsrate der IMP nur 21 nm/h beträgt.

Röntgenanalyse
Die Röntgenanalyse zeigt in nahezu allen Lötstellen einen gewissen Anteil von Hohlräumen bzw. Voids (helle Flecken im Röntgenbild). Am auffälligsten sind die Balls der BGA-Bauteile nach Rework A; sie zeigen keine Hohlräume auf. Bei den anderen Kontakten gibt es zwar leichte Abweichungen zum Original, die aber keine signifikante Auffälligkeit darstellen.

Materialanalyse
Die Zusammensetzung der Legierung in der Lötstelle wurden mittels Röntgenfluoreszenz (RFA) näher analysiert. Bild 5 zeigt schematisch den Aufbau der Analyse. Eine Probe wird mit Röntgenstrahlung beschossen. Diese dringt bis ca. 100 µm in die Probe ein. Aus dem Spektrum der zurückgestreuten charakteristischen Röntgenstrahlung können dann die im Material enthaltenen Elemente analysiert werden.

Im Folgenden werden die Messergebnisse der RFA-Analyse für die SOP-Bauteile näher vorgestellt. Tabelle 2 enthält die Messergebnisse für sechs wichtige Elemente in unterschiedlichen Phasen des Rework-Prozesses. Der Blei-Gehalt (Pb) ist allgemein sehr gering. Dies ist typisch, da bleifreie Lotpasten verwendet werden. Die Lotpaste ist eine typische SAC-Legierung (Sn-Ag-Cu) mit einem Silberanteil von 3,5 %. 

Interessant ist, dass ein reines Aufschmelzen der Lotpaste auf einem Pad der Leiterplatten das Gold der ENIG-Oberflächenbeschichtung löst und dieses anschließend im Lötzinn gemessen werden kann. 

Die Pins selbst weisen eine Nickel-Palladium-Gold-Beschichtung auf. Durch das Verlöten der Bauteile steigt der Gold- und Palladium-Anteil in der Lötstelle an.
Wird jetzt das Bauteil im Rework abgelötet und das Restlot auf dem Pad entfernt, sinkt der Gold- und Palladium-Anteil wieder. 

Durch das Aufbringen eines neuen SOP-Bauteils mit einer SAC-Lotpaste wird nicht in gleichem Maße Gold und Palladium der Lötstelle im Rework-Prozess gelöst. Daher weisen die manipulierten Lötstellen im Vergleich zum Originalzustand einen geringeren Gold- und Palladium-Anteil auf.

Härtemessung mit Nanoindentation
Um die Härte einer Leiterplatte zwischen dem Originalzustand und den manipulierten Leiterplatten zu analysieren, wurde die Nanoindentation verwendet. Ein Verfahren, bei dem eine sehr kleiner Stift mit einer Diamantspitze und spezieller Form in das zu untersuchende Material eingedrückt und dabei die Eindringtiefe und Kraft aufgezeichnet werden. Mit dem Verfahren lässt sich eine Vielzahl von Kennwerten errechnen (zum Beispiel Eindringmodul, Eindringhärte, Martenshärte und Vickershärte).

Zur Ermittlung der durchschnittlichen Eindringhärte wurde auf den unterschiedlichen Sub-Leiterplatten 25 Messwerte auf einem Feld von 5×5 Messpunkten ermittelt.

Wie Bild 6 verdeutlicht, steigt die Eigenhärte der Leiterplatten durch den Rework-Prozess an. Der Anstieg der Härte lässt sich durch das Ausgasen von Weichmachern aus dem Harzmaterial der Leiterplatte durch die hohen Temperaturen während des Rework-Prozesses erklären.

Fazit
Die vorgestellte Studie verdeutlicht, dass durch einen Rework-Prozess an einer Leiterplatte unter anderem folgende Auffälligkeiten auftreten können. 
Auffälligkeiten an der Leiterplatte: Verfärbung des Harzmaterials – Rückstände von Flussmittel – Eindringhärte der Leiterplatte steigt an. 
Auffälligkeiten an elektrischen Kontakt: Lotmengenunterschiede – Hohlräume bzw. Voids in den Lötstellen – Die elementare Zusammensetzung der Lötstelle ändert sich merklich (zum Beispiel Gold, Palladium und Antimon).