Bei der qualifizierten Nacharbeit eines Ball Grid Array (BGA) handelt es sich um die Überarbeitung eines BGA auf einer Leiterplatte, d. h. den Austausch eines defekten BGA oder das Entfernen und ordnungsgemäße Ersetzen eines falsch positionierten BGA.

Was sind BGA’s?
BGAs sind Mikroprozessoren/Bauteile, bei denen die Lötverbindungen mit kleinen Kugeln auf der Unterseite der Bauteile hergestellt werden. Diese kleinen Kugeln werden vom Hersteller des Bauteils angebracht und sind daher beim Kauf dieses Bauteils bereits vorhanden. Es gibt viele verschiedene Arten von BGAs, beispielsweise kann das Gehäuse aus Kunststoff bestehen, es gibt aber auch BGAs mit einem Gehäuse aus Keramikmaterial. Und es gibt Bauteile welch statt Kugeln Säulen haben, diese heißen CGA (Column Grid Array).

Vorteile eines BGA
Im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen sind BGAs wesentlich robuster. Sie lassen sich auch einfach in der Produktion installieren. Sie können viele Kugeln unters Gehäuse haben und nehmen dann weniger Platz ein als ihre vergleichbaren herkömmlichen Bauteile mit Anschlüssen welche sich rundum das Bauteil befinden.

Nachteile eines BGA
Erstens ist die Inspektion schwieriger als bei herkömmlichen Bauteilen. Hierzu sind spezielle Inspektionsgeräte erforderlich, sowie Röntgen oder ein Ersascope (ein Gerät mit einer sehr kleinen Kamera auf der einen Seite des Bauteils und einem Spiegel auf der anderen Seite, mit dem optisch ein Bild unter dem Bauteil aufgenommen wird).

Darüber hinaus ist für den Entfernen und insbesondere den Einbau/Bestücken eines BGA eine spezielle, hochentwickelte Ausrüstung erforderlich. Anschließend wird ein Lötprofil eingestellt und darauf basierend die Heizsysteme der Geräte gesteuert. Für die Heizzyklen werden üblicherweise eine Unterheizung und eine Oberheizung verwendet. Dies kann auf Heißluft oder Infrarot basieren.

Wie funktioniert so ein BGA-Rework-Station?
Der obige Finetech Fineplacer ist repräsentativ für die aktuelle BGA-Nacharbeit. Mit dieser Rework-Station können BGAs kontrolliert entfernt werden. Aber auch für die richtige Bestückung. Nachdem das Bauteil mithilfe des fortschrittlichen Kamerasystems ausgerichtet wurde, wird die Baugruppe mittels Unterwärme langsam vorgewärmt. Anschließend schaltet sich auch die Oberheizung zu, um das BGA nach einem definierten Profil zu erwärmen. Die Lötkugeln unter dem BGA schmelzen und verbinden sich mit den BGA-Pads auf der Leiterplatte. Anschließend wird die Baugruppe genauso wie beim maschinellen Reflow-Löten entsprechend dem verwendeten Profil kontrolliert abgekühlt.

Die teure BGA-Rework-Stationen verfügen oft über eine Kamerasystem an der Seite, mit der man beobachten kann, bis die Kugeln zu fließen beginnen. Im Ausgangszustand sind die Kugel rund und wenn sie in die Fließphase kommen, kollabieren die BGA Kugeln sozusagen ein wenig und werden dadurch oval. Dieses Kollabieren (Einsenken) kann man mit so einer seitlich montierten Kamera gut erkennen.

Ist eine Schulung erforderlich, um Nacharbeiten an Ball Grid Arrays durchzuführen?
Ja, die Verfahren unterscheiden sich stark von herkömmlichen Lötmethoden mit einem Lötkolben. Die Schwierigkeit liegt darin, dass die Geräte, die den BGA erhitzen, mit einer Software arbeiten, die auf einem Lötprofil, einem sogenannten Zeit-Temperatur-Diagramm, basiert. Dies muss in die Maschine programmiert werden. Für jeden BGA-Typ (Material, Größe usw.) und jede Leiterplattenkombination benötigen Sie ein spezifisches optimales Zeit Temperatur Profil. Neben Materialkenntnissen sind auch Kenntnisse zur Programmierung der Maschine erforderlich. Dies kann im Training geübt und erlernt werden.

Was man auch lernen muss, ist die korrekte Ausrichtung des BGA vor dem Löten. Moderne BGA-Rework-Stationen verfügen zu diesem Zweck über sogenannte Vision-Systeme, bei denen mithilfe spezieller Kameratechniken die Ausrichtung des Bauteils relativ zu den Pads sichtbar gemacht werden kann. Dieser schwierige und wichtige Schritt im Installationsprozess erfordert auch Übung im Umgang mit der Ausrüstung.

PIEK bietet BGA-Schulungen für alle an, die an der Bestückung und dem Austausch von BGAs beteiligt sind. Diese richten sich an Mitarbeiter in der Produktion, aber auch an Personen aus der technischen Abteilung. BGA-Stationen könnten auch beim Prototypenbau zum Einsatz kommen. Hauptzielgruppe sind aber natürlich diejenigen, die in einer Rework-Abteilung arbeiten und BGAs austauschen müssen.

Bei PIEK haben wir einen Schulungsraum mit der speziellen Ausrüstung eingerichtet, die für fortgeschrittene Nacharbeiten an BGAs erforderlich ist. Hier stehen unter anderem der bereits erwähnte Finetech Fineplacer und ein Ersascope zur Verfügung, aber auch vergleichbare Geräte anderer Marken stehen unseren Trainern und Kursteilnehmern hier zur Verfügung.