Trabajar con BGA: soldadura, reballing y retrabajo

Jul 18, 2023

En nuestro artículo anterior sobre Ball Grid Arrays (BGA), exploramos cómo diseñar placas de circuito y cómo enrutar las señales que salen de un paquete BGA. Pero diseñar una placa es una cosa y soldar esos chips en la placa es otra muy distinta. Si tiene algo de experiencia con la soldadura SMD, descubrirá 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 nuestra placa y cómo quitarlos nuevamente 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 puedes comprar hornos de reflujo lo suficientemente pequeños como para colocarlos en tu taller (o incluso construirlos tú 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 retrabajos.

Una herramienta más pequeña, más barata y posiblemente más versátil es una placa calefactora. Aunque puedes convertir 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 conseguir por menos de 100 dólares en los canales habituales en línea. También son bastante fáciles de usar: simplemente coloque la 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 que ideales si desea soldar o desoldar un solo componente. Para ello, la herramienta a utilizar es una estación de soldadura de aire caliente. Las estaciones de aire caliente profesionales pueden costar miles de dólares, pero puedes comprar modelos de gama baja, con temperatura y flujo de aire ajustables, por entre 100 y 300 dólares.

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

Si estás empezando desde cero y te preguntas qué herramienta comprar para tu primer proyecto BGA, aquí tienes nuestro consejo: como mínimo, compra una placa calefactora; si puedes gastar un poco más, consigue una estación de soldadura de aire caliente; y si quieres el mejor conjunto de herramientas posible, compra ambos.

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

El primer paso es depositar la soldadura en pasta utilizando una plantilla SMD. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes de PCB 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 placa (una plantilla es útil aquí), luego extienda un poco de pasta de soldar en el área requerida con una espátula. Deberías terminar con una capa agradable y uniforme de pasta en todas las almohadillas.

A continuación, colocaremos los componentes. Puedes usar pinzas o una herramienta de aspiración, o incluso una máquina completa de recoger y colocar, si tienes 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 conseguir una alineación adecuada.

Finalmente, calentaremos la placa para que la soldadura refluya. Si está utilizando un horno, simplemente configúrelo con 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 unos 245 °C para soldadura sin plomo. Es posible que desees configurarlo unos grados más para tener en cuenta cualquier gradiente de temperatura entre la parte inferior y 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 algunas resistencias o condensadores en la placa incluso si planea 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 cuál funciona mejor. Especialmente la configuración de "flujo" puede variar bastante entre modelos, por lo que tendrás que calcular 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 todo el chip y sus alrededores inmediatos. Cuando las bolas de soldadura se derriten, deberías ver el chip moverse hacia su huella.

El método de plantilla y pasta es la forma preferida de soldar BGA y suele ser 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 tienes otra opción, como cuando reemplazas 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 aplica soldadura a las almohadillas primero: 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 y luego retirarla nuevamente usando una trenza desoldadora, para que todas las almohadillas queden bonitas y planas después. Asegúrate de no calentar demasiado la plancha y de frotar siempre, no arrastrar la trenza sobre las almohadillas. Es muy fácil sacar las almohadillas de la tabla si empujas una plancha caliente con demasiada fuerza.

Cuando haya terminado con la trenza desoldadora, 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 desaloje las bolas de soldadura a medida que subes el fuego. Aparte de eso, simplemente puede reajustar el tablero como se describió anteriormente.

Incluso si lograste soldar el chip correctamente la primera vez, es posible que tengas que retirarlo nuevamente en algún momento posterior. Aunque también puedes hacer esto con solo una placa calefactora, 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 toda la placa le hace la vida mucho más fácil: sin un precalentador, pasará años tratando de calentar toda la placa disparando un chip.

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

Mientras empuñas la boquilla, tira suavemente del chip con las pinzas. Deberías poder sentir cuando las bolas de soldadura se derriten, momento en el cual deberías 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 sus almohadillas del tablero.

Una vez que se haya quitado el chip, 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 capa nueva de fundente y suelde el chip nuevo 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 nuevo juego de bolas de soldadura en un proceso conocido como reballing. Para eso, necesitaremos una herramienta especial llamada plantilla de reballing. Consiste en un dispositivo 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 resultar útiles. Un juego completo como ese costará alrededor de 100 dólares.

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

Para chips con patrones de bolas irregulares, como muchos chips de memoria, puedes comprar plantillas especializadas que coincidan exactamente con esos diseños específicos. Por lo general, se venden en juegos que combinan con todos los chips de un modelo específico de teléfono inteligente o tableta. Un juego de este tipo es excelente si tiene un negocio de reparación, pero para trabajos generales, un juego de cuadrados simple suele ser suficiente.

Para reballear nuestro chip, primero limpiaremos todos los restos de las bolas viejas, tal como lo hicimos en la PCB. Utilice una trenza para desoldar y luego limpie todo el fundente restante y otra suciedad con alcohol isopropílico o un 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 una pequeña ballesta: colocaremos esta al final para poner el chip bajo tensión de resorte y mantenerlo firmemente en su lugar.

Ahora aplicaremos una fina capa de fundente pegajoso sobre la superficie del chip, lo que mantendrá las bolas en su lugar y les ayudará a refluir en el siguiente paso. Es aún más importante aquí asegurarse de terminar 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 queden alineados exactamente con las almohadillas del chip. Luego, toma un poco de cinta adhesiva y cierra todos los agujeros que no sean necesarios. Para nuestro pequeño BGA de 7 × 7, eso significa pegar con cinta adhesiva casi toda la plantilla. Los kits de reballing suelen venir con un rollo de cinta Kapton para este propósito, que funciona muy bien, pero la cinta Scotch normal que encuentras en cualquier cajón del escritorio también funcionará bien: no es necesario que sea resistente al calor.

Una vez que hayas terminado de grabar, coloca el soporte de la plantilla nuevamente encima de la plantilla y vierte algunas bolas sobre la plantilla.

Mueve el dispositivo para asegurarte de que haya una bola en cada posición del chip. Es posible que tengas que maniobrar algunos rebeldes con unas 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 volver a colocar las bolas en el chip. El aire caliente es el método más sencillo en este caso, pero asegúrese de utilizar un ajuste de flujo muy bajo: las bolas de soldadura no pesan casi nada y volarán con la brisa más suave. Alternativamente, puedes levantar con cuidado el chip con las pinzas y colocarlo en una placa caliente o en el horno de reflujo. En cualquier caso, una vez que las bolas alcancen su temperatura de fusión verás cómo se reposicionan y se adhieren firmemente a las almohadillas. Una vez que el chip se haya enfriado, estará listo para montarlo nuevamente 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 mínimo de herramientas (una placa calefactora, una plantilla SMD y pasta de soldadura) por menos de $100. Esto debería ser suficiente si sólo necesitas soldar algún chip BGA ocasional y prefieres hacer el resto a mano.

Por supuesto, si ya estaba usando una plantilla y pasta de soldadura para refluir sus placas SMD, entonces agregar un chip BGA a la mezcla realmente no cambia el proceso. Y si no estaba convencido de las ventajas 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.