Travailler avec des BGA : souder, reballer et retravailler

Dans notre article précédent sur les Ball Grid Arrays (BGA), nous avons exploré comment concevoir des circuits imprimés et comment acheminer les signaux sortant d'un boîtier BGA. Mais concevoir une carte est une chose, souder ces puces sur la carte en est une autre. Si vous avez une certaine expérience de la soudure SMD, vous constaterez que n'importe quel boîtier SOIC, TQFP ou même QFN peut être soudé avec un fer à pointe fine et un peu de pratique. Ce n'est pas le cas pour les BGA : nous devrons sortir des outils spécialisés pour les souder correctement. Aujourd'hui, nous allons explorer comment mettre ces puces sur notre tableau et comment les retirer à nouveau, sans dépenser une fortune en équipement.

Pour la production à grande échelle, que ce soit pour des conceptions basées sur BGA ou tout autre type de travail SMD, les fours de refusion sont l'outil de choix. Bien que vous puissiez acheter des fours de refusion suffisamment petits pour être placés dans votre atelier (ou même les construire vous-même), ils prendront toujours un peu de place. Les fours de refusion sont parfaits pour la production en série à petite échelle, mais pas tant pour les réparations ou les retouches.

Un outil plus petit, moins cher et sans doute plus polyvalent est une plaque chauffante. Bien que vous puissiez convertir des appareils de cuisson en plaques chauffantes à souder, il est plus pratique d'en acheter un spécialement conçu à cet effet avec un contrôleur de température réglable. Aussi connus sous le nom de "préchauffeurs", ceux-ci peuvent être achetés pour moins de 100 $ à partir des canaux en ligne habituels. Ils sont également assez faciles à utiliser : placez simplement votre carte sur le dessus, réglez la température souhaitée et attendez que la soudure opère sa magie.

Un inconvénient des plaques chauffantes est le fait qu'elles chauffent toute la carte en une seule fois, ce qui les rend loin d'être idéales si vous souhaitez souder ou dessouder un seul composant. Pour cela, une station de soudage à air chaud est l'outil à utiliser. Les stations à air chaud professionnelles peuvent coûter des milliers de dollars, mais vous pouvez acheter des modèles bas de gamme, avec température et débit d'air réglables, entre 100 et 300 dollars.

Les plaques chauffantes et les stations de soudage à air chaud fonctionnent également très bien ensemble : la plaque chauffante peut être utilisée pour préchauffer l'ensemble de la carte à environ 150 °C, le pistolet à air chaud n'étant utilisé que sur la partie à souder. Cela réduit le stress thermique sur la carte par rapport au chauffage d'un seul point à partir de la température ambiante.

Si vous partez de zéro et que vous vous demandez quel outil acheter pour votre premier projet BGA, voici nos conseils : au minimum, achetez une plaque chauffante ; si vous pouvez dépenser un peu plus, procurez-vous une station de soudage à air chaud; et si vous voulez le meilleur ensemble d'outils possible, achetez les deux.

Que vous utilisiez un four, une plaque chauffante, une station à air chaud ou toute combinaison de ces outils, les étapes de base pour souder des puces BGA sont les mêmes. Commençons par l'empreinte nue de l'ATmega164 à 49 billes que nous avons conçu la dernière fois :

La première étape consiste à déposer de la pâte à braser à l'aide d'un pochoir SMD. La plupart des fabricants de PCB offrent aujourd'hui la possibilité de commander un pochoir avec vos cartes, ce qui est pratique si vous utilisez de la pâte à souder pour tous les composants SMD, pas seulement pour les pièces BGA. Alignez le pochoir avec votre planche (un gabarit est utile ici), puis étalez un peu de pâte à souder sur la zone requise à l'aide d'une raclette. Vous devriez vous retrouver avec une belle couche de pâte uniforme sur tous les tampons.

Ensuite, nous placerons les composants. Vous pouvez utiliser une pince à épiler ou un outil de ramassage sous vide, ou même une machine complète de prise et de placement si vous en avez une. Notez que pour la puce BGA, vous ne pouvez pas voir les pastilles lors du placement du composant, donc avoir le contour du paquet sur la sérigraphie aide beaucoup à obtenir un alignement correct.

Enfin, nous chaufferons la carte pour laisser la soudure refluer. Si vous utilisez un four, réglez-le simplement sur le profil de refusion recommandé dans la fiche technique du fabricant de puces. Lorsque vous utilisez une plaque chauffante, réglez-la sur la température de pointe nécessaire : généralement environ 245 °C pour une soudure sans plomb. Vous voudrez peut-être le régler quelques degrés plus haut pour tenir compte de tout gradient de température entre le bas et le haut de la carte.

Au fur et à mesure que la carte chauffe, la puce BGA se déplace un peu lorsque la tension de surface aligne la puce sur son empreinte, mais il est généralement difficile de voir si la soudure a correctement fondu partout. Il est pratique de placer quelques résistances ou condensateurs sur la carte, même si vous prévoyez de refondre uniquement la puce, car vous pouvez facilement savoir à partir de ces composants si la soudure a correctement refondu.

Si vous utilisez une station à air chaud, vous devrez expérimenter un peu ses paramètres pour trouver ce qui fonctionne le mieux. En particulier, le réglage du "débit" peut varier considérablement d'un modèle à l'autre, vous devrez donc déterminer le débit d'air pouvant être utilisé sans faire exploser les composants partout. Une fois que vous avez trouvé le bon réglage, appliquez la chaleur uniformément sur la puce et ses environs immédiats. Lorsque les billes de soudure fondent, vous devriez voir la puce se tortiller sur son empreinte.

La méthode du pochoir et de la pâte est la méthode préférée pour souder les BGA et est généralement la méthode recommandée dans les fiches techniques des fabricants. Mais il est toujours possible de souder une puce sans pochoir – parfois vous n'avez même pas le choix, comme lorsque vous remplacez une puce sur une carte existante.

Bien qu'il soit possible de souder directement une puce BGA à un ensemble de pastilles PCB en cuivre nu, vous obtiendrez de meilleurs résultats si vous appliquez d'abord de la soudure sur les pastilles : cela garantira une connexion soudure à soudure entre la puce et la carte. , facilitant le transfert de chaleur. Vous pouvez simplement faire glisser une goutte de soudure sur les pastilles, puis la retirer à nouveau à l'aide d'une tresse à dessouder, de sorte que toutes les pastilles soient bien plates par la suite. Assurez-vous de ne pas régler votre fer trop chaud et de toujours tamponner, ne pas faire glisser la tresse sur les coussinets. Il est très facile de retirer les coussinets de la planche si vous appuyez trop fort sur un fer chaud.

Lorsque vous avez terminé avec la tresse à dessouder, nettoyez la zone à l'aide d'alcool isopropylique ou d'un dissolvant de flux, puis appliquez une fine couche de flux frais. Il est important de ne pas en utiliser trop, car vous ne voulez pas qu'il bouillonne et déloge les billes de soudure lorsque vous augmentez la chaleur. En dehors de cela, vous pouvez simplement refusionner le tableau comme décrit précédemment.

Même si vous avez réussi à souder correctement votre puce la première fois, vous devrez peut-être la retirer ultérieurement. Bien que vous puissiez également le faire avec une simple plaque chauffante, une station à air chaud est vraiment le meilleur outil pour ce travail. Si vous travaillez avec une grande carte qui peut absorber beaucoup de chaleur, le préchauffage de l'ensemble vous facilite la vie - sans préchauffeur, vous passerez des années à essayer de chauffer toute la carte en faisant exploser une seule puce.

Notre planche est assez petite et légère, nous n'utiliserons donc que le pistolet à air chaud. Notez comment nous avons soulevé la planche de la table en plaçant de petits objets sous les coins : cela empêche la table d'agir comme un dissipateur de chaleur. Appliquez une quantité généreuse de flux de type gel autour de la puce, puis utilisez le pistolet à air chaud pour la chauffer.

Pendant que vous manipulez la buse, tirez doucement sur la puce avec votre pince à épiler. Vous devriez pouvoir sentir quand les billes de soudure fondent, à quel point vous devriez pouvoir soulever la puce sans effort. N'utilisez jamais la force - si une ou deux balles n'ont pas encore fondu, vous risquez d'arracher leurs coussinets du plateau.

Une fois la puce éteinte, utilisez une tresse à dessouder et votre fer pour nettoyer toute soudure restante sur les pastilles, puis nettoyez la zone à l'aide d'un dissolvant de flux. Si votre but était de placer une nouvelle puce sur la carte, appliquez simplement une nouvelle couche de flux et soudez la nouvelle puce en place.

Les choses deviennent plus intéressantes si nous voulons également réutiliser la puce : dans ce cas, nous devrons envisager le reballing.

Un BGA dessoudé peut être équipé d'un nouveau jeu de billes de soudure dans un processus connu sous le nom de rebillage. Pour cela, nous aurons besoin d'un outil spécial appelé gabarit de rebillage. Il s'agit d'un dispositif pour maintenir la puce ainsi que d'un pochoir qui aide à positionner les billes de soudure. Vous pouvez acheter des kits pratiques qui contiennent le gabarit, un ensemble de pochoirs couramment utilisés, une réserve de billes de soudure et quelques outils à main qui pourraient s'avérer utiles. Un ensemble complet comme celui-ci coûtera environ 100 $.

Le kit de rebillage de notre atelier est livré avec un ensemble de pochoirs génériques : ils diffèrent par la taille et le pas de la balle, mais ont tous les trous placés dans une grille carrée régulière. L'idée est que vous utilisez du ruban adhésif pour masquer les trous dont vous n'avez pas besoin, personnalisant ainsi le pochoir à votre puce particulière. Cela fonctionne bien tant que le motif de balle sur votre puce n'est pas trop complexe.

Pour les puces avec des motifs de billes irréguliers, comme de nombreuses puces mémoire, vous pouvez acheter des pochoirs spécialisés qui correspondent exactement à ces dispositions spécifiques. Ceux-ci sont généralement vendus dans des ensembles qui correspondent à toutes les puces d'un modèle spécifique de smartphone ou de tablette. Un tel ensemble est idéal si vous exploitez une entreprise de réparation, mais pour un travail général, un simple ensemble carré est généralement suffisant.

Afin de reballer notre puce, nous allons d'abord nettoyer tous les restes des anciennes balles, comme nous l'avons fait sur le PCB. Utilisez une tresse à dessouder, puis nettoyez tout le flux restant et toute autre saleté à l'aide d'alcool isopropylique ou d'un dissolvant de flux. Les coussinets au bas de la puce doivent être plats et brillants.

Ensuite, nous monterons la puce dans notre gabarit de rebillage. Ce modèle particulier a été conçu pour des puces beaucoup plus grandes que notre minuscule microcontrôleur, mais nous pouvons toujours le faire fonctionner en utilisant seulement trois des quatre pinces. Remarquez comment la pince de gauche a un petit ressort à lame : nous positionnerons celui-ci en dernier, afin de mettre la puce sous tension de ressort et de la maintenir fermement en place.

Nous allons maintenant appliquer une fine couche de flux collant sur la surface de la puce, ce qui maintiendra les billes en place et les aidera à refondre à l'étape suivante. Il est encore plus important ici de s'assurer que vous vous retrouvez avec untrès fin couche, car nous placerons le pochoir très près de la puce. Si un flux se retrouve sur le pochoir, vous vous retrouverez avec des boules de soudure collées au pochoir plutôt qu'à la puce.

Placez le pochoir correct à l'intérieur de la partie supérieure du gabarit, puis alignez-le jusqu'à ce que les trous du pochoir s'alignent exactement avec les coussinets de la puce. Ensuite, prenez du ruban adhésif et bouchez tous les trous qui ne sont pas nécessaires. Pour notre petit BGA 7 × 7, cela signifie scotcher presque tout le pochoir. Les kits de rebillage sont souvent livrés avec un rouleau de ruban Kapton à cet effet, ce qui fonctionne très bien, mais le ruban adhésif ordinaire que vous trouverez dans n'importe quel tiroir de bureau fera également l'affaire - il n'est pas nécessaire qu'il soit résistant à la chaleur.

Une fois que vous avez terminé, remettez le porte-pochoir sur le gabarit et versez quelques boules sur le pochoir.

Remuez le luminaire pour vous assurer qu'il y a une balle à chaque position sur la puce. Vous devrez peut-être manipuler quelques-uns des plus tenaces à l'aide d'une pince à épiler ou d'un pinceau fin. Une fois que toutes les fentes sont remplies, soulevez le pochoir et versez les boules restantes dans la bouteille en utilisant la petite rampe en bas à droite du cadre du pochoir.

Ensuite, nous devrons refusionner les balles sur la puce. L'air chaud est la méthode la plus simple ici, mais assurez-vous d'utiliser un réglage de débit très faible : les billes de soudure ne pèsent presque rien et s'envoleront à la moindre brise. Alternativement, vous pouvez soulever délicatement la puce avec votre pince à épiler et la placer sur une plaque chauffante ou dans votre four à refusion. Dans tous les cas, une fois que les boules auront atteint leur température de fusion, vous les verrez se repositionner et coller fermement aux patins. Une fois la puce refroidie, elle est prête à être montée à nouveau sur une carte.

Comme vous pouvez le voir, souder et dessouder des BGA n'est pas si difficile, tant que vous avez les bons outils. Vous pouvez même obtenir un ensemble d'outils minimum absolu - une plaque chauffante, un pochoir SMD et une pâte à souder - pour moins de 100 $. Cela devrait suffire si vous avez juste besoin de souder la puce BGA occasionnelle et préférez faire le reste à la main.

Bien sûr, si vous utilisiez déjà un pochoir et une pâte à souder pour refondre vos cartes SMD, alors jeter une puce BGA dans le mélange ne change pas vraiment le processus. Et si vous n'étiez pas convaincu des mérites de la pâte à souder, le moment est peut-être venu de commander ce pochoir et de vous essayer à la refusion - c'est en fait un processus très simple. Maintenant que les outils de soudage SMD appropriés sont abordables, même pour un laboratoire domestique modeste, il n'y a vraiment aucune raison de ne pas les utiliser.