リワーク（電子機器）

エレクトロニクスにおいて、リワーク（または再作業）とは、プリント基板（PCB）アセンブリの修理または再仕上げのことであり、通常は表面実装電子部品（SMD）のはんだ除去と再はんだ付けを伴います。大量処理技術は単一デバイスの修理または交換には適用できず、欠陥のある部品を交換するには、適切な機器を使用した熟練者による特殊な手作業が必要です。ボールグリッドアレイ（BGA）デバイスなどのエリアアレイパッケージでは、特に専門知識と適切なツールが必要です。ホットエアガンまたはホットエアステーションは、デバイスを加熱してはんだを溶かすために使用され、特殊なツールは、多くの場合、小さな部品を持ち上げて配置するために使用されます。リワークステーションは、この作業を行う場所であり、この作業に必要なツールと消耗品が、通常は作業台上に置かれます。他の種類のリワークには、他のツールが必要です。^[1]

多くの製造業では、不良品が見つかった場合に手直しが行われます。^[2]

電子機器の場合、欠陥には次のようなものがあります。

• 組み立て不良または熱サイクルによるはんだ接合不良。
• はんだブリッジ - 互いに分離されているべき点を接続する不要なはんだの滴。
• コンポーネントに欠陥があります。
• エンジニアリング部品の変更、アップグレードなど。
• 自然な摩耗、物理的ストレス、または過度の電流によりコンポーネントが破損しました。
• 液体の浸入によりコンポーネントが損傷し、腐食、はんだ接合部の弱化、または物理的な損傷が発生します。

再作業には複数のコンポーネントが関係する場合があり、周囲の部品や PCB 自体に損傷を与えることなく、1 つずつ作業する必要があります。作業対象でないすべての部品は、熱や損傷から保護されます。電子アセンブリにかかる熱応力は、即時または将来の損傷の原因となる可能性のあるボードの不要な収縮を防ぐために、可能な限り低く抑えられます。

21 世紀では、鉛による健康被害や環境被害を回避するために、製造されたアセンブリと再作業の両方において、ほぼすべてのはんだ付けは鉛フリーはんだで行われています。この予防措置が必要ない場合は、スズ鉛はんだの方が低温で溶けるため、作業が簡単です。

通常、最初のステップは、ホットエアガンで単一のSMD を加熱して、SMD とPCB の間のはんだ接合部をすべて溶かし、はんだが溶けている間に SMD を取り外すことです。次に、導体ボード上のパッド アレイから古いはんだを取り除きます。これらの残留物は、融点まで加熱することで簡単に取り除くことができます。はんだごてまたはホットエアガンをはんだ除去ブレードとともに使用できます。

準備されたパッド アレイ上に新しいユニットを正確に配置するには、高解像度と高倍率を備えた高精度のビジョン アライメント システムを巧みに使用する必要があります。コンポーネントのピッチとサイズが小さいほど、より正確な作業が必要になります。

最後に、新しく配置された SMD がボードにはんだ付けされます。ボードを予熱し、ユニットと PCB 間のすべての接続部を、使用したはんだの溶融温度まで加熱し、その後適切に冷却するはんだプロファイルを使用することで、信頼性の高いはんだ接合が実現します。

SMD の高品質要求や特殊な設計では、ユニットを配置してはんだ付けする前に、はんだペーストを正確に塗布する必要があります。最初に完全に正しく配置されていない場合、ボードのはんだパッド上の溶融はんだの表面張力により、デバイスがパッドに正確に位置合わせされる傾向があります。

ボール グリッド アレイ(BGA) とチップ スケール パッケージ(CSA)は、その下側に PCB 上の対応するパッドに接続された多数の小さなパッドが密集しているため、テストと再作業が特に困難です。接続ピンはテストのために上からアクセスできず、デバイス全体をはんだの融点まで加熱しないとはんだを除去することができません。

BGA パッケージの製造後、小さなはんだボールがその下側のパッドに接着されます。組み立て時に、ボール状のパッケージが PCB 上に配置され、加熱されてはんだが溶け、すべてがうまくいけば、隣接するパッド間に余分なはんだブリッジが発生せずに、デバイスの各パッドが PCB 上の対応するパッドに接続されます。組み立て中に発生した接続不良は検出され、組み立て作業がやり直し (または廃棄) されます。デバイスの接続が不完全で、それ自体に欠陥がなく、しばらくは機能してもその後故障するケースは、動作温度での熱膨張と収縮によって引き起こされることが多く、珍しくありません。

BGA 接続不良が原因で故障したアセンブリは、リフローするか、デバイスを取り外してはんだを洗浄し、リボールして交換することで修復できます。同じ方法で、廃棄されたアセンブリからデバイスを回収して再利用できます。

リワーク技術としてのリフローは、リフローはんだ付けの製造工程に似ており、故障した回路基板を取り除くために装置を解体し、基板全体をオーブンで予熱し、機能していない部品をさらに加熱してはんだを溶かし、慎重に決定された熱プロファイルに従って冷却し、再組み立てするという工程から成り、部品を取り外して交換することなく接続不良を修復することが期待される。これで問題が解決する場合もあれば、そうでない場合もある。また、リフローした基板がしばらくすると再び故障する可能性がある。典型的なデバイス（PlayStation 3およびXbox 360）の場合、ある修理会社は、予期しない問題がなければ、この工程に約80分かかると見積もっている。^[3]プロの修理担当者がラップトップコンピューターのグラフィックスチップのリフローについて議論するフォーラムでは、さまざまな投稿者が、完全なリボールを行う価値のない機器において、プロの機器と技術を用いたリフローの成功率（6か月以内に故障なし）は60～90％であると述べている。^{[4]リフローは、家庭用オーブン[5]}またはヒートガン^[6]を使用して、専門家以外でも行うことができます。このような方法でもいくつかの問題は解決できますが、経験豊富な技術者が専門機器を使用して正確な温度プロファイリングを行う場合よりも、結果的に成功率は低くなる可能性があります。

リボールには、分解、通常はホットエアガンと真空ピックアップツールを使用した、基板から取り外せるまでチップを加熱する、デバイスの取り外し、デバイスと基板に残っているはんだの除去、新しいはんだボールの取り付け、接続不良の場合は元のデバイスを交換するか新しいデバイスを使用する、デバイスまたは基板を加熱してはんだ付けするといった作業が含まれます。新しいボールは、次のようないくつかの方法で取り付けることができます。

• ボールとはんだペーストまたはフラックスの両方にステンシルを使用して、
• デバイスパターンに対応するボールが埋め込まれたBGA「プリフォーム」を使用するか、
• 半自動または全自動の機械を使用します。

前述のPS3とXboxの場合、すべてが順調に進んだ場合、時間は約120分です。^[3]

チップは、リボールの加熱と冷却を繰り返すことで損傷するリスクがあり、メーカーの保証ではこのケースがカバーされない場合があります。はんだ吸い取り線ではんだを除去すると、はんだ槽を流す場合よりもデバイスに熱ストレスがかかる回数が少なくなります。テストでは、20 個のデバイスがリボールされ、そのうちいくつかは数回リボールされました。2 個は機能しなくなりましたが、再度リボールすると完全に機能するようになりました。1 個は 17 回の熱サイクルにさらされても故障しませんでした。

適切に実施された再加工により、再加工されたアセンブリの機能が回復し、その後の寿命に大きな影響は及ばないはずです。したがって、再加工のコストがアセンブリの価値よりも低い場合、再加工は電子産業のあらゆる分野で広く使用されています。通信技術、娯楽および消費者向けデバイス、工業製品、自動車、医療技術、航空宇宙、その他の高出力電子機器の製造業者およびサービス プロバイダーは、必要に応じて再加工を行っています。

• リフロー炉
• 温度プロファイリング

1. 永久エラストマー/セミエラストマーボールグリッドアレイ（BGA）ステンシル