ERSASCOPE 2 plus - The Lead-Free Generation of BGA and Optical Inspection Systems

ERSA GmbH

Complete Lead-Free Soldering & Inspection Solutions

Im Jahre 1921 ließ ERSA den ersten elektrischen Lötkolben für die Serienproduktion patentieren. Seitdem hat sich das Unternehmen der Innovation in der Lötindustrie verschrieben. Heute steht der Adler für den Weitblick, die Entschlossenheit und Flexibilität, mit der ERSA immer wieder völlig neuartige Komplettlösungen entwickelt und ver-wirklicht. Das patentierte ERSASCOPE war das erste optische BGA-Inspektionssystem, das, nach 20 Jahren BGA-Produktion, endlich die zerstörungs-

freie Betrachtung der Lötstellen unter dem BGA zuließ. Unter dem Motto „Sehen heißt überle-ben” hat diese revolutionäre Technologie nicht nur die weltweit wichtigsten Innovationspreise der Industrie errungen, sondern mit diesem System können die weltweit etwa 2000 Anwender nun auch Fehler entdecken, analysieren und korrigie-ren, die zuvor nicht feststellbar waren. Mit der Einführung des bleifreien Lötprozesses ist die ERSASCOPE-Technik für die Erstmusterprü-fung unerlässlich geworden.

Die ERSASCOPE plus-Serie - Inspektionslösungen für die enormen Herausforderungen des bleifreien Lötprozesses

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Most Innovative Product ELENEX, Australien

Dr.-Rudolf Eberle Innovationspreis

SMT Vision Award APEX, United States

EP&P Excellence Award und EP&P Grand Award

Best Product in Show, Component & Electronic

US Patent-Nr. US 6,580501

EU Patent-Nr. EP 11 23 525

DIE IN OBIGEN BILDERN GEZEIGTEN FEHLER KÖNNEN MIT HERKÖMMLICHEN MIKROSKOPEN UND PRÜFGERÄTEN NICHT FESTGESTELLT WERDEN.

Wenn solche Fehler nicht entdeckt werden, führt dies zu unqualifizierten bleifreien Produktionsprozessen. Frühausfälle von Baugruppen und Garantiereparaturen sind die Folge.

Unter dem Strich betrachtet bedeutet dies: Höhere Prozesstemperaturen und engere Prozessfenster verbunden mit dem bleifreien Lötverfahren erfordern eine sorgfältigere, tiefer ins Detail gehen-de Erstmusterprüfung. Die manuellen Systeme zur Sichtprüfung benötigen eine stärkere Vergrößerung und flexible Sichtwinkel von 0° bis 90°. ERSASCOPE Inspektionssysteme sind daher nun nicht mehr nur eine Option, sondern vielmehr eine unverzichtbare Forderung von „Bleifrei”.

Sehen heißt überleben - Nur wenn wir alle potentielle Probleme in unserem bleifreien Lötprozess erkennen, können wir auch auf sie reagieren, sie korrigieren und damit letztendlich auch die Qualität unserer Pro-dukte zuverlässig sichern!

Die Implementierung bleifreier Prozesse macht es notwendig, dass die Hersteller ihre QS-Verfah-ren gründlich überarbeiten, da es bereits im An-fangsstadium viel schwieriger wird, den Bleifreipro-zess unter Kontrolle zu bringen. Die Industrie muss ihr Personal angemessen ausrüsten und schulen, um die Erstmusterprüfungen im Bleifreiprozess mit Erfolg durchführen und bestehen zu können.

Lotkügelchen unter einem BGA

PGA: Fehlender Durchsteiger

Aggressive Flussmittelrückstände unter einem BGA

Fillet Lifting

ERSASCOPE - vielseitiges Inspektions-system - maximale Flexibilität für alle Anwendungen

Durch die Einführung von „Bleifrei” müssen wir den Proz ess mit anderen Augen betrachten

Grundlegende Probleme beim bleifreien Löten:Wenn die Lotlegierung kein Blei mehr enthält, ver-ändern sich mehrere Eigenschaften: die Schmelz-temperatur steigt, die Benetzungseigenschaften verschlechtern sich, die Oberflächenspannung ist größer, und das geschmolzene Lot oxidiert schnel-ler. Die Folgen daraus sind höhere Prozesstem-peraturen, kleinere Prozessfenster, aggressivere Flussmittel, verstärkte Bildung von Lotkügelchen und eine anders aussehende Oberflächenstruktur der Lötstelle. Weiterhin führen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Problemen während der Abkühlphase, wie z. B. Delamin-ierung bei BGA-Gehäusen und „Fillet Lifting” bei durchkontaktierten Lötstellen nach dem Wellenlöten.Einfach formuliert: Der bleifreie Lötpro-zess ist komplizierter, stellt uns vor neue Probleme und erfordert einen verbesser-ten Inspektionsprozess.

Der bleifreie Lötprozess verlangt eine noch sorgfältigere Erstmusterprüfung!

Es hat schon immer Standards gegeben, nach denen geprüft und produziert wurde. Durch die großen Prozessfenster konnte die Inspektion bisher jedoch mit minimaler Sorgfalt durchge-führt werden. Auch bei der Fertigung nach IPC Klasse 2 und 3 war es in vielen Fällen entbehr-lich, versteckte PLCC-Rückseitenmenisken oder die nur schwer erkennbaren TQFP-Fersenkehl-menisken zu inspizieren, ohne Qualitätspro-bleme zu riskieren. Egal ob geprüft wird oder nicht, SnPb-Lote verzeihen viel. Diese Lote besitzen sehr gute Fließeigenschaften, versteckte Lötstellen bil-den sich gut aus, und die Normen werden erfüllt. Das war gestern. Mit dem Bleifreilöten sind die Karten neu gemischt!

IPC Electronic Workmanship StandardA - 610: Absatz 12.2.5.6;J-STD-001

PQFP: keine Innenmeniskus-Bildung

Delaminierung beim BGA-Gehäuse

Chip-Anschluss: veränderte Geometrie durch Überhitzung

Typische Probleme beim bleifreien Löten, die sich direkt auf die Erstmusterkontrolle und den Qualitätssicherungsprozess der SMT-Baureihen auswirken, sind:1. Schlechte Benetzungs- und Fließeigenschaften2. Flussmittelverdampfung & Oxidationsprobleme3. Substratverzug & offene Verbindungen4. Höhere Prozesstemperaturen können Bauteile

schädigen/Geometrie der Lötverbindung verändern5. Flussmittelrückstände6. Bildung von Lotkügelchen & „Grabstein”-Effekte7. Delamination bei BGAs und Fillet Lifting

PQFP: offene Verbindung

7 bewegliche Achsen

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ERSASCOPE 1 plus: Blickwinkel von 0°-90° mit höchsten Vergrößerungsfaktoren

Der neue ERSASCOPE 2 plus Flip-Chip-Kopf verfügt über eine Bildablenkungshöhe niedriger als solche Spalthöhen. Dies bedeutet, dass es nun sogar möglich ist, an den oberen Seiten der Flip-Chip-Lötverbindung „hinaufzublicken”.Dieser kritische Teil der Flip-Chip-Verbindung konnte vorher bei optischen BGA-Prüfungen nie eingesehen werden. Zusätzlich erlaubt die tieferliegende Iris eine Prüfung innenliegender Lötverbindungen flacher CSP und Flip-Chip-Komponenten. Optische Innovation im Zuge der Miniatu-risierung!Die Endoskopspitze des revolutionären ERSASCOPE 2 plus Flip-Chip-Kopfes ist nur4,0 x 0,60 mm groß. Dieser kann somit auchauf dicht bestückten Leiterplatten eingesetztwerden.

Mit dem Inspektionssystem ERSASCOPE XL zur Prüfung übergroßer Boards schließlich können sowohl ERSASCOPE-1-plus- als auch ERSASCOPE-2-plus-Optiken verwendet werden.Sein großer antistatischer X-Y-Leiterplatten-tisch (Abmessungen 600 x 700 mm) mit Feinverstellung und integrierten Stützbeinen und ein 300 mm langer Teleskoparm ermöglichen dem Anwender auch bei großen Baugruppen komfortabelstes Inspizieren.

Abwärtsblick an einem Flip-Chip mit Original-ERSASCOPE Innenliegende Anschlussbeinchen unter einem PLCC

Aufwärtsblick an Lötverbindungmit ERSASCOPE 2 plus Flip-Chip-Kopf

Prüfung innenliegender Lötverbindungen eines CSPs möglich

ERSASCOPE 1 plus

ERSASCOPE 2 plusDas preisgekrönte und patentierte Original-ERSASCOPE wurde nun zum universal einsetz-baren System für die optische Inspektion von bleifreien Lötstellen weiterentwickelt. Aufgrund der großen Anzahl bereits verkaufter Systeme war es nun möglich, den Preis deutlich zu sen-ken, und dieses System vielen Anwendern als Standard-Leiterplatten-Mikroskop zugänglich zu machen. Das ERSASCOPE 1 plus erlaubt dabei nicht nur die Inspektion von BGAs, sondern bie-tet auch die für die Inspektion nach IPC-Standard erforderlichen 90°- und Seitenansichten vonSMT-Komponenten.Bei der langjährigen Entwicklung des revolutio-nären ERSASCOPE 2 plus wurden die Erfah-rungen von weltweit etwa 2.000 ERSASCOPE-Anwendern mitberücksichtigt. Während man das Original-ERSASCOPE als das Universalsystem

Die neue ERSASCOPE-Serie:Das preisgekrönte Original trifft auf seinen optischen und mechanischen Meister

für die optische Inspektion bezeichnen kann, ist das ERSASCOPE 2 plus das High-End-System, das höchste Anforderungen erfüllt.Das ERSASCOPE 2 plus mit seinem Flip-Chip-Kopf ist aktuell das einzige Inspek-tionssystem weltweit, welches den geho-benen Ansprüchen an Prüfmöglichkeiten für fl ache Bauteile wie CSPs und Flip-Chips gerecht wird.Die Iris oder Blende des Original-ERSASCOPE sitzt in etwa 0,300 mm über der Leiterplatten-oberfläche. Für alle anderen optischen BGA-Inspektionssysteme auf dem Markt werden ähnliche Bildablenkungshöhen angegeben. Dies ermöglicht einen „Abwärtsblick” an einem Flip-Chip, dessen Abstandshöhe zwischen Leiterplatte und Bauteilunterseite nur 0,080 mm beträgt.

Aufnahme eines BGAs mit dem Original-ERSASCOPEERSASCOPE - das Originalsystem

Revolutionäres ERSASCOPE 2 plus Verbesserte Aufnahme eines BGAs mit demERSASCOPE 2 plus

ERSASCOPE (1 oder 2) XL6 7

Megapixel) liefert gestochen scharfe Bilder, welche die kleinsten Objektdetails offenbaren und sich vorzüglich für Dokumentations-zwecke eignen. Bezüglich der Beleuchtung wurden die Lichtquelle, das ergonomische Stativ, Lichtperipherie und Optikträger kom-plett überarbeitet, um ein hervorragendes Lichtmanagement und optimale Bildqualität zu garantieren.

Durch 3 mechanische Irisblenden – sowohl im optischen Strahlengang als auch im Strahlengang des Gegenlichts und in dem des Schwanenhalses – gelingt es, die Licht-menge der MHLS-Lichtquelle für eine optima-le Ausleuchtung zu dosieren. Eine perfekte Ergänzung zu den neuen Features stellen auswechselbare Lichtfächer und Glasfaser-lichtpinsel dar, die bei Bauteilen mit großer Tiefe sowie kleinen Abmessungen für hervor-ragende Lichtverhältnisse sorgen.

Separat einstellbares Frontlicht, Gegenlicht und neue Lichtfächer für hervorragendes Lichtmanagement

Drei individuell einstellbare mechanische Irisblenden

Bewegliches und schwenkbares Gegenlicht

Neue MHLS-Lichtquelle für beste Bildqualität

Gegenlicht, von 0 - 100 %

Frontlicht, von 0 - 100 %

Ausleuchtung mit Front- und Gegenlicht

Die ERSASCOPE-2-plus-Optik ist mit drei spe-ziell konstruierten, robusten Inspektionsköpfen ausgestattet, um ein breites Spektrum von verschiedensten Anforderungen abzudecken. Eine 90°-Optik liefert in bewährter Qualität Bilder versteckter Lötstellen von BGA-Kom-ponenten und deren Untertypen. Die weiter-entwickelte 0°-Optik liefert bei vorzüglicher Ausleuchtung kontrastreiche Bilder bei der Aufsichtinspektion und bietet bis zu 350-fache Vergrößerungen. Mit dem revolutionären 90°-Flip-Chip-Kopf gelingt es erstmals bei klein-spaltigen Komponenten wie Flip-Chips und CSPs aussagekräftige Bildinformation über die Qualität der Lötungen zu gewinnen.

Die Bildqualität hängt jedoch nicht nur von der Qualität der Optik ab, sondern auch von der Kameratechnik und der Ausleuchtung. Mit der Entwicklung des ERSASCOPE 2 plus reagierte ERSA auf die Anforderungen seiner Kunden. Die Anfang 2006 eingeführte, hochauflösende, lichtstarke USB-Kamera (1,3

Das ERSASCOPE 2 plus trifft mit seinem hervorragen den Lichtmanagement und den auswechselbaren und robuste Inspektionsköpfen genau die Anforderungen der Anwender

ERSASCOPE 2 plus - neuentwickelter Optikenträger

Universelle 90°-Optik für BGAs und SMDs

Standfläche: 4,0 x 0,60 mm

Schnell und einfach auswechselbare, robuste Optiken

0°-Hochleistungs-Mikroskopoptik

Revolutionärer Flip-Chip-Kopf

ImageDocEXP 2.0 - die professionelleMultimedia-Inspektionssoftware:• Live- und Standbild / AVI-Aufnahmen /

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direkt aus der Anwendung

Mehrfachlizenzen und Updates erhalten Sie bei Ihrem ERSA-Vertreter oder direkt bei ERSA.

Die Software ImageDoc wurde gemäß dem Grundsatz „Inspizieren, Kategorisieren, Analysieren und Dokumentieren” speziell für das Prüfpersonal entwickelt.

Mit der Einführung des bleifreien Lötpro-zesses muss das Prüfpersonal neu in derQualitätsbeurteilung von Lötstellen geschultwerden. Die Tage, in denen der Grundsatz galt „Wenn die Lötstelle gut aussieht, musssie es wohl auch sein!” sind gezählt. Mittelseines Software gestützten Inspektions-prozesses kann das Prüfpersonal richtig auf die bleifreie Zukunft geschult werden.

ERSA ImageDoc EXP - Visualisierung, Kategorisierung, Datenbankanalyse, Dokumentation.Komfortable Inspektionssoftware mit Expertendatenba nk

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Daraus folgt eine verringerte Subjektivität, schnellere Problemlösung und Dokumen-tation wertvoller Prozessinformationen für die Zukunft.

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ERSASCOPE Systems:

ERSASCOPE 1 plus ERSASCOPE 2 plus

Optical unit: ERSA high-resolution USB2.0 CCD cameraES 1 optical unit for BGA inspection

ERSA high-resolution USB2.0 CCD cameraES 2 optical unit with 3 interchangeable optical heads: • 0° optical head • Flip-Chip optical head • BGA optical headReference scaleCase for storage of the optical instrumentsDust hood and cleaning kit

Lighting: Adjustable halogen light sourceCoaxially installed fiber-obptic light guide

Adjustable MHLS light sourceCoaxially installed fiber-obptic light guideAdditional gooseneck fiber-optic light guideTwo light brushes for additional lightingSeparate control of front and back light as well as gooseneck

Inspection table:

X-Y-inspection table Turning X-Y-inspection table

Options: XL-table and extension unitMAGNISCOPE opticsMACROZOOM opticsRing lightReference scale (to carry out measurements)Dust hoodCleaning kit

XL-table and extension unitMACROZOOM opticsRing light

Inspection Software:

The customer can choose from 3 different visualization and documentation software packages for either the ERSASCOPE 1 plus or ERSASCOPE 2 plus: 1. ImageDoc Basic 1.32. ImageDoc EXP 2.0

ERSASCOPE 2 plusERSASCOPE 1 plus

ERSASCOPE (1 or 2) XL

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www.ersa.com

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