Trabajo con BGA: soldadura, reballing y reelaboración

May 29, 2023

En nuestro artículo anterior sobre Ball Grid Arrays (BGA), exploramos cómo diseñar placas de circuitos y cómo enrutar las señales que salen de un paquete BGA. Pero diseñar una placa es una cosa, soldar esos chips en la placa es otra muy distinta. Si tiene algo de experiencia con la soldadura SMD, encontrará que cualquier paquete SOIC, TQFP o incluso QFN se puede soldar con un hierro de punta fina y un poco de práctica. No es así para los BGA: necesitaremos sacar algunas herramientas especializadas para soldarlos correctamente. Hoy, exploraremos cómo colocar esos chips en nuestro tablero y cómo quitarlos de nuevo, sin gastar una fortuna en equipos.

Para la producción a gran escala, ya sea para diseños basados ​​en BGA o cualquier otro tipo de trabajo SMD, los hornos de reflujo son la herramienta preferida. Si bien puede comprar hornos de reflujo lo suficientemente pequeños como para colocarlos en su taller (o incluso construirlos usted mismo), siempre ocuparán bastante espacio. Los hornos de reflujo son excelentes para la producción en serie a pequeña escala, pero no tanto para reparaciones o reelaboraciones.

Una herramienta más pequeña, más barata y posiblemente más versátil es una placa calefactora. Aunque puede convertir los aparatos de cocina en placas calientes para soldar, es más conveniente comprar uno hecho específicamente para ese propósito con un controlador de temperatura ajustable. También conocidos como "precalentadores", se pueden obtener por menos de $100 en los canales habituales en línea. También son bastante fáciles de usar: simplemente coloque su placa encima, establezca la temperatura deseada y espere a que la soldadura haga su magia.

Una desventaja de las placas calientes es el hecho de que calientan toda la placa a la vez, lo que las hace menos ideales si desea soldar o desoldar un solo componente. Para eso, una estación de soldadura de aire caliente es la herramienta a utilizar. Las estaciones de aire caliente profesionales pueden costar miles de dólares, pero puedes comprar modelos de menor rango, con temperatura y flujo de aire ajustables, por entre $100 y $300.

Las placas calefactoras y las estaciones de soldadura de aire caliente también funcionan muy bien juntas: la placa calefactora se puede utilizar para precalentar toda la placa a unos 150 °C, con la pistola de aire caliente utilizada solo en la parte que se va a soldar. Esto reduce el estrés térmico en el tablero en comparación con calentar solo un punto desde la temperatura ambiente.

Si está comenzando desde cero y se pregunta qué herramienta comprar para su primer proyecto BGA, este es nuestro consejo: como mínimo, compre una placa calefactora; si puede gastar un poco más, compre una estación de soldadura de aire caliente; y si desea el mejor conjunto de herramientas posible, compre ambos.

No importa si usa un horno, una placa caliente, una estación de aire caliente o cualquier combinación de esas herramientas, los pasos básicos para soldar chips BGA son los mismos. Empecemos por el espacio mínimo del ATmega164 de 49 bolas que diseñamos la última vez:

El primer paso es depositar pasta de soldadura utilizando una plantilla SMD. La mayoría de los fabricantes de PCB hoy en día ofrecen la opción de pedir una plantilla junto con sus placas, y esto es conveniente si usa pasta de soldadura para cualquier componente SMD, no solo para piezas BGA. Alinee la plantilla con su tablero (una plantilla es útil aquí), luego extienda un poco de pasta de soldadura en el área requerida con una escobilla de goma. Debería terminar con una buena capa uniforme de pasta en todas las almohadillas.

A continuación, colocaremos los componentes. Puede usar pinzas o una herramienta de recolección de vacío, o incluso una máquina completa de recoger y colocar si tiene una. Tenga en cuenta que para el chip BGA no puede ver las almohadillas al colocar el componente, por lo que tener el contorno del paquete en la serigrafía ayuda mucho a obtener una alineación adecuada.

Finalmente, calentaremos la placa para permitir que la soldadura fluya. Si está utilizando un horno, simplemente configúrelo en el perfil de reflujo recomendado en la hoja de datos del fabricante del chip. Cuando utilice una placa caliente, ajústela a la temperatura máxima necesaria: normalmente alrededor de 245 °C para soldadura sin plomo. Es posible que desee configurarlo unos grados más alto para tener en cuenta cualquier gradiente de temperatura entre la parte inferior y la parte superior del tablero.

A medida que la placa se calienta, el chip BGA se moverá un poco a medida que la tensión superficial alinea el chip con su huella, pero normalmente es difícil ver si la soldadura se ha derretido correctamente en todas partes. Es conveniente colocar unas cuantas resistencias o condensadores en la placa, incluso si estaba planeando refluir solo el chip, porque puede saber fácilmente a partir de esos componentes si la soldadura ha refluido correctamente.

Si está utilizando una estación de aire caliente, deberá experimentar un poco con su configuración para encontrar lo que funciona mejor. Especialmente, la configuración de "flujo" puede variar bastante entre los modelos, por lo que tendrá que averiguar cuánto flujo de aire se puede usar sin volar los componentes por todos lados. Una vez que haya encontrado la configuración adecuada, aplique el calor de manera uniforme en el chip y sus alrededores inmediatos. Cuando las bolas de soldadura se derritan, deberías ver que el chip se mueve sobre su huella.

El método de plantilla y pegado es la forma preferida de soldar BGA y, por lo general, es el método recomendado en las hojas de datos de los fabricantes. Pero aún es posible soldar un chip sin una plantilla; a veces ni siquiera tiene otra opción, como cuando reemplaza un chip en una placa existente.

Si bien es posible soldar directamente un chip BGA a un conjunto de almohadillas de PCB de cobre desnudo, obtendrá mejores resultados si primero aplica soldadura a las almohadillas: esto asegurará una conexión de soldadura a soldadura entre el chip y la placa. , facilitando la transferencia de calor. Simplemente puede arrastrar una gota de soldadura a través de las almohadillas, luego quitarla nuevamente con una trenza de desoldar, para que todas las almohadillas queden bien y planas después. Asegúrate de no poner la plancha demasiado caliente y siempre da toquecitos, no arrastres la trenza por las almohadillas. Es muy fácil sacar las almohadillas de la tabla si empujas con demasiada fuerza una plancha caliente.

Cuando haya terminado con la trenza de desoldar, limpie el área con alcohol isopropílico o removedor de fundente, luego aplique una capa delgada de fundente nuevo. Es importante no usar demasiado, porque no querrás que burbujee y desprenda las bolas de soldadura a medida que aumentas el calor. Aparte de eso, simplemente puede redistribuir el tablero como se describe anteriormente.

Incluso si logró soldar su chip correctamente la primera vez, es posible que deba quitarlo nuevamente en algún momento posterior. Aunque también puedes hacer esto con solo una placa caliente, una estación de aire caliente es realmente la mejor herramienta para este trabajo. Si está trabajando con una placa grande que puede absorber mucho calor, precalentar todo hace que su vida sea mucho más fácil: sin un precalentador pasará años tratando de calentar toda la placa explotando un chip.

Nuestra tabla es bastante pequeña y ligera, así que solo usaremos la pistola de aire caliente. Observe cómo hemos levantado el tablero de la mesa colocando pequeños objetos debajo de las esquinas: esto evita que la mesa actúe como un disipador de calor. Aplique una cantidad generosa de fundente tipo gel alrededor del chip, luego use la pistola de aire caliente para calentarlo.

Mientras maneja la boquilla, tire suavemente del chip con sus pinzas. Debería poder sentir cuándo se derriten las bolas de soldadura, momento en el que debería poder levantar el chip sin esfuerzo. No uses la fuerza en ningún momento: si una o dos bolas aún no se han derretido, podrías arrancar las almohadillas del tablero.

Una vez que el chip esté apagado, use una trenza desoldadora y su plancha para limpiar cualquier resto de soldadura de las almohadillas, luego limpie el área con un removedor de fundente. Si su propósito era colocar un chip nuevo en la placa, simplemente aplique una nueva capa de fundente y suelde el nuevo chip en su lugar.

Las cosas se vuelven más interesantes si también queremos reutilizar el chip: en ese caso, tendremos que considerar el reballing.

Un BGA desoldado se puede equipar con un juego nuevo de bolas de soldadura en un proceso conocido como reballing. Para eso, necesitaremos una herramienta especial llamada plantilla de reballing. Este consta de un accesorio para sujetar el chip y una plantilla que ayuda a colocar las bolas de soldadura. Puede comprar kits convenientes que contienen la plantilla, un juego de plantillas de uso común, un suministro de bolas de soldadura y algunas herramientas manuales que pueden ser útiles. Un conjunto completo como ese costará alrededor de $ 100.

El kit de reballing de nuestro taller venía con un juego de plantillas genéricas: difieren en el tamaño y el paso de la bola, pero tienen todos los agujeros colocados en una cuadrícula regular y cuadrada. La idea es que use cinta para enmascarar los agujeros que no necesita, y así personalizar la plantilla para su chip en particular. Esto funciona bien siempre que el patrón de bolas en su chip no sea demasiado complejo.

Para chips con patrones de bolas irregulares, como muchos chips de memoria, puede comprar plantillas especializadas que coincidan exactamente con esos diseños específicos. Por lo general, se venden en conjuntos que coinciden con todos los chips en un modelo específico de teléfono inteligente o tableta. Un conjunto de este tipo es excelente si tiene un negocio de reparación, pero para el trabajo general, un conjunto cuadrado simple suele ser suficiente.

Para reballear nuestro chip, primero limpiaremos todos los restos de las bolas viejas, tal como hicimos en la PCB. Use una trenza para desoldar, luego limpie todo el fundente restante y otra suciedad con alcohol isopropílico o removedor de fundente. Las almohadillas en la parte inferior del chip deben verse planas y brillantes.

A continuación, montaremos el chip en nuestra plantilla de reballing. Este modelo en particular fue diseñado para chips significativamente más grandes que nuestro pequeño microcontrolador, pero aún podemos hacerlo funcionar usando solo tres de las cuatro abrazaderas. Observe cómo la abrazadera de la izquierda tiene un pequeño resorte de hoja: colocaremos este en último lugar, para poner el chip bajo la tensión del resorte y mantenerlo firmemente en su lugar.

Ahora aplicaremos una capa delgada de fundente pegajoso sobre la superficie del chip, que mantendrá las bolas en su lugar y ayudará a que fluyan en el siguiente paso. Aquí es aún más importante asegurarse de que termine con unmuy delgado capa, porque colocaremos la plantilla muy cerca del chip. Si algún fundente termina en la plantilla, terminará con bolas de soldadura pegadas a la plantilla en lugar del chip.

Coloque la plantilla correcta dentro de la parte superior de la plantilla, luego alinéela hasta que los orificios de la plantilla se alineen exactamente con las almohadillas del chip. Luego, tome un poco de cinta adhesiva y cierre todos los agujeros que no sean necesarios. Para nuestro pequeño BGA de 7×7, eso significa grabar casi toda la plantilla. Los kits de reballing a menudo vienen con un rollo de cinta Kapton para este propósito, que funciona muy bien, pero la cinta Scotch normal que encuentra en cualquier cajón del escritorio también funcionará bien, no es necesario que sea resistente al calor.

Una vez que haya terminado de encintar, vuelva a colocar el soporte de la plantilla en la parte superior de la plantilla y vierta algunas bolas sobre la plantilla.

Mueva el accesorio para asegurarse de que haya una bola en cada posición del chip. Es posible que deba maniobrar algunos obstinados con pinzas o un cepillo fino. Una vez que todas las ranuras estén llenas, levante la plantilla y vierta las bolas sobrantes nuevamente en la botella usando la pequeña rampa en la parte inferior derecha del marco de la plantilla.

A continuación, necesitaremos hacer fluir las bolas en el chip. El aire caliente es el método más fácil aquí, pero asegúrese de usar una configuración de flujo muy bajo: las bolas de soldadura no pesan casi nada y se irán volando con la brisa más suave. Alternativamente, puede levantar con cuidado el chip con sus pinzas y colocarlo en un plato caliente o en su horno de reflujo. En cualquier caso, una vez que las bolas alcancen su temperatura de fusión, verás que se reposicionan y se adhieren firmemente a las almohadillas. Una vez que el chip se ha enfriado, está listo para volver a montarse en una placa.

Como puede ver, soldar y desoldar BGA no es tan difícil, siempre que tenga las herramientas adecuadas. Puede obtener incluso un conjunto de herramientas mínimo absoluto: una placa calefactora, una plantilla SMD y pasta de soldadura, por menos de $ 100. Esto debería ser suficiente si solo necesita soldar un chip BGA ocasional y prefiere hacer el resto a mano.

Por supuesto, si ya estaba usando una plantilla y una soldadura en pasta para refluir sus placas SMD, agregar un chip BGA a la mezcla no cambia realmente el proceso. Y si no estaba convencido de los méritos de la soldadura en pasta, ahora podría ser un buen momento para pedir esa plantilla y probar el reflujo; en realidad, es un proceso muy sencillo. Ahora que las herramientas de soldadura SMD adecuadas son asequibles incluso para un laboratorio doméstico modesto, realmente no hay razón para no usarlas.