Lavorare con i BGA: saldatura, reballing e rilavorazione

Jun 27, 2023

Nel nostro precedente articolo sui Ball Grid Array (BGA), abbiamo esplorato come progettare i circuiti stampati e come instradare i segnali in uscita da un pacchetto BGA. Ma progettare una scheda è una cosa, saldare i chip sulla scheda è un'altra. Se hai esperienza con la saldatura SMD, scoprirai che qualsiasi pacchetto SOIC, TQFP o anche QFN può essere saldato con un ferro a punta fine e un po' di pratica. Non è così per i BGA: dovremo mettere in campo alcuni strumenti specializzati per saldarli correttamente. Oggi esploreremo come inserire quei chip sulla nostra scheda e come rimuoverli di nuovo, senza spendere una fortuna in attrezzature.

Per la produzione su larga scala, sia per progetti basati su BGA che per qualsiasi altro tipo di lavoro SMD, i forni a rifusione sono lo strumento da scegliere. Anche se puoi acquistare forni a rifusione abbastanza piccoli da poterli posizionare nel tuo laboratorio (o addirittura costruirli tu stesso), occuperanno sempre un bel po' di spazio. I forni a rifusione sono ottimi per la produzione in serie su piccola scala, ma non tanto per riparazioni o rilavorazioni.

Uno strumento più piccolo, più economico e probabilmente più versatile è una piastra riscaldante. Sebbene sia possibile convertire gli apparecchi da cucina in piastre riscaldanti per la saldatura, è più conveniente acquistarne uno appositamente realizzato per lo scopo con un regolatore di temperatura regolabile. Conosciuti anche come “preriscaldatori”, questi possono essere acquistati per meno di $ 100 dai soliti canali online. Sono anche piuttosto facili da usare: basta posizionare la scheda sopra, impostare la temperatura desiderata e attendere che la saldatura faccia la sua magia.

Uno svantaggio delle piastre riscaldanti è il fatto che riscaldano l'intera scheda contemporaneamente, rendendole tutt'altro che ideali se si desidera saldare o dissaldare un singolo componente. Per questo lo strumento da utilizzare è una stazione di saldatura ad aria calda. Le stazioni di aria calda professionali possono costare migliaia di dollari, ma è possibile acquistare modelli di fascia bassa, con temperatura e flusso d'aria regolabili, per un prezzo compreso tra $ 100 e $ 300.

Anche le piastre calde e le stazioni di saldatura ad aria calda funzionano molto bene insieme: la piastra calda può essere utilizzata per preriscaldare l'intera scheda a circa 150 °C, mentre la pistola ad aria calda può essere utilizzata solo sulla parte da saldare. Ciò riduce lo stress termico sulla scheda rispetto al riscaldamento di un solo punto dalla temperatura ambiente.

Se parti da zero e ti stai chiedendo quale strumento acquistare per il tuo primo progetto BGA, ecco il nostro consiglio: come minimo indispensabile, acquista una piastra riscaldante; se potete spendere qualcosa in più procuratevi una stazione saldante ad aria calda; e se desideri il miglior set di strumenti possibile, acquistali entrambi.

Non importa se utilizzi un forno, una piastra riscaldante, una stazione ad aria calda o qualsiasi combinazione di questi strumenti, i passaggi di base per saldare i chip BGA sono gli stessi. Cominciamo dall'impronta nuda dell'ATmega164 da 49 palline che abbiamo progettato l'ultima volta:

Il primo passo è depositare la pasta saldante utilizzando uno stencil SMD. La maggior parte dei produttori di PCB oggigiorno offre la possibilità di ordinare uno stencil insieme alle schede, e questo è conveniente se si utilizza la pasta saldante per qualsiasi componente SMD, non solo per le parti BGA. Allinea lo stencil con la tua tavola (una maschera è utile in questo caso), quindi stendi un po' di pasta saldante sull'area richiesta usando una spatola. Dovresti ottenere uno strato di pasta bello e uniforme su tutti i pad.

Successivamente, posizioneremo i componenti. Puoi usare delle pinzette o uno strumento di raccolta a vuoto, o anche una macchina pick-and-place completa, se ne hai una. Tieni presente che per il chip BGA non puoi vedere i pad quando posizioni il componente, quindi avere il contorno del pacchetto sulla serigrafia aiuta molto a ottenere un corretto allineamento.

Infine, riscalderemo la scheda per consentire il riflusso della saldatura. Se utilizzi un forno, impostalo semplicemente sul profilo di rifusione consigliato nella scheda tecnica del produttore del chip. Quando si utilizza una piastra riscaldante, impostarla sulla temperatura di picco necessaria: in genere circa 245 °C per la saldatura senza piombo. Potresti volerlo impostare qualche grado più in alto per tenere conto di qualsiasi gradiente di temperatura tra la parte inferiore e superiore della scheda.

Man mano che la scheda si riscalda, il chip BGA si muoverà leggermente poiché la tensione superficiale allinea il chip con la sua impronta, ma in genere è difficile vedere se la saldatura si è sciolta correttamente ovunque. È conveniente posizionare alcuni resistori o condensatori sulla scheda anche se intendi rifondere solo il chip, perché da questi componenti puoi facilmente capire se la saldatura è stata rifusa correttamente.