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.
![1. ábra. Nagyméretű BGA alkatrészek (pl. 50×70 mm) egy interfészkártyán Forrás: EFI-labs](/images/stories/cikkek/2013/11/efi-1.jpg)
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.
![2. ábra. Javítás során felpúposodott (delaminálódott) BGA alkatrész felülnézeti és keresztmetszeti csiszolati felvételei Forrás: EFI-labs](/images/stories/cikkek/2013/11/efi-2.jpg)
![3. ábra. BGA alkatrész egyik forrasztott kötésének keresztmetszeti csiszolata. Látható, hogy a hibás javítási folyamat miatt a NYÁK-oldali forraszfelület kiszakadt, valamint észlelhető annak jelentős elvékonyodása is a réz forraszanyagba történő beoldódás miatt Forrás: EFI-labs](/images/stories/cikkek/2013/11/efi-3.jpg)
![4. ábra. BGA alkatrész egyik, NYÁK-oldali forraszfelülete hibás javítás után. A forraszfelület nedvesíthetőségét drasztikusan lecsökkentették a felületen megjelenő intermetallikus vegyületek, tüskék formájában (nagyított rész) Forrás: EFI-labs](/images/stories/cikkek/2013/11/efi-4.jpg)
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).
![5. ábra. BGA alkatrész hibás javítása során a forraszfelülethez közeli átvezetőfurat feltöltődött forraszanyaggal. Ez a röntgenfelvételen is megfigyelhető Forrás: EFI-labs](/images/stories/cikkek/2013/11/efi-5.jpg)
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. honlapjawww.efi-labs.com