Trabalhando com BGAs: solda, reballing e retrabalho

Em nosso artigo anterior sobre Ball Grid Arrays (BGAs), exploramos como projetar placas de circuito e como rotear os sinais que saem de um pacote BGA. Mas projetar uma placa é uma coisa – soldar esses chips na placa é outra. Se você tiver alguma experiência com solda SMD, descobrirá que qualquer pacote SOIC, TQFP ou mesmo QFN pode ser soldado com um ferro de ponta fina e um pouco de prática. Não é assim para os BGAs: precisaremos trazer algumas ferramentas especializadas para soldá-los corretamente. Hoje, vamos explorar como colocar esses chips em nosso tabuleiro e como retirá-los novamente, sem gastar uma fortuna em equipamentos.

Para produção em larga escala, seja para projetos baseados em BGA ou qualquer outro tipo de trabalho SMD, os fornos de refluxo são a ferramenta de escolha. Embora você possa comprar fornos de refluxo pequenos o suficiente para colocar em sua oficina (ou até mesmo construí-los você mesmo), eles sempre ocuparão um pouco de espaço. Os fornos de refluxo são ótimos para produção em série em pequena escala, mas não tanto para reparos ou retrabalho.

Uma ferramenta menor, mais barata e indiscutivelmente mais versátil é uma placa quente. Embora você possa converter aparelhos de cozinha em placas quentes de solda, é mais conveniente comprar uma feita especificamente para esse fim com um controlador de temperatura ajustável. Também conhecidos como "pré-aquecedores", eles podem ser adquiridos por menos de $ 100 nos canais online usuais. Eles também são muito fáceis de usar: basta colocar a placa em cima, definir a temperatura desejada e esperar que a solda faça sua mágica.

Uma desvantagem das placas quentes é o fato de que elas aquecem toda a placa de uma só vez, tornando-as menos do que ideais se você deseja soldar ou dessoldar um único componente. Para isso, uma estação de solda de ar quente é a ferramenta a ser usada. Estações de ar quente profissionais podem custar milhares de dólares, mas você pode comprar modelos de menor alcance, com temperatura e fluxo de ar ajustáveis, por entre US$ 100 e US$ 300.

Placas quentes e estações de solda de ar quente também funcionam muito bem juntas: a placa quente pode ser usada para pré-aquecer toda a placa a cerca de 150 °C, com a pistola de ar quente usada apenas na parte a ser soldada. Isso reduz o estresse térmico na placa em comparação com o aquecimento de apenas um ponto desde a temperatura ambiente.

Se você está começando do zero e está se perguntando qual ferramenta comprar para seu primeiro projeto BGA, aqui está nosso conselho: no mínimo, compre uma placa de aquecimento; se puder gastar um pouco mais, compre uma estação de solda a ar quente; e se você quiser o melhor conjunto de ferramentas possível, compre os dois.

Não importa se você usa um forno, uma placa quente, uma estação de ar quente ou qualquer combinação dessas ferramentas, as etapas básicas para soldar chips BGA são as mesmas. Vamos começar com a pegada simples do ATmega164 de 49 bolas que projetamos da última vez:

O primeiro passo é depositar a pasta de solda usando um estêncil SMD. A maioria dos fabricantes de PCB hoje em dia oferece a opção de solicitar um estêncil junto com suas placas, e isso é conveniente se você usar pasta de solda para qualquer componente SMD, não apenas para peças BGA. Alinhe o estêncil com sua placa (um gabarito é útil aqui) e espalhe um pouco de pasta de solda na área necessária usando um rodo. Você deve terminar com uma camada uniforme e agradável de pasta em todos os pads.

A seguir, colocaremos os componentes. Você pode usar uma pinça ou uma ferramenta de coleta a vácuo, ou até mesmo uma máquina pick-and-place completa, se tiver uma. Observe que para o chip BGA você não pode ver os pads ao colocar o componente, portanto, ter o contorno da embalagem na serigrafia ajuda muito a obter um alinhamento adequado.

Finalmente, vamos aquecer a placa para deixar a solda refluir. Se você estiver usando um forno, basta configurá-lo para o perfil de refluxo recomendado na folha de dados do fabricante do chip. Ao usar uma placa quente, ajuste-a para a temperatura de pico necessária: normalmente cerca de 245 °C para solda sem chumbo. Você pode querer configurá-lo alguns graus mais alto para levar em conta qualquer gradiente de temperatura entre a parte inferior e superior da placa.

À medida que a placa esquenta, o chip BGA se moverá um pouco à medida que a tensão superficial alinha o chip com sua pegada, mas normalmente é difícil ver se a solda derreteu adequadamente em todos os lugares. É conveniente colocar alguns resistores ou capacitores na placa, mesmo que você esteja planejando refluir apenas o chip, porque você pode facilmente dizer a partir desses componentes se a solda refluiu corretamente.