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SOLDADURAS BGA
Soldadura y desoldadura de CI BGA (1)
Presentación de la tecnología BGA

por Ing. Alberto Picerno




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0.1 INTRODUCCIÓN 

Vamos a tratar el tema de las máquinas para desoldar y soldar circuitos integrados VGA en varias entregas. Pero antes nos parece conveniente realizar una pequeña introducción sobre las diferentes tecnologías de producción electrónica porque no pretendemos que todos los lectores conozcan el tema al detalle.

Expliquemos la razón por la cual Ud. debe estar al tanto del tema de la tecnología BGA. El estado del arte actual obliga a los fabricantes a usar los llamados circuitos integrados BGA, pero hasta llegar a ese tipo de integrado el armado de plaquetas de circuito impreso pasó por diferentes técnicas a una velocidad que nadie jamás imaginó.

Todo comenzó con el armado manual de plaquetas de circuito impreso, con circuitos integrados de montaje común, en donde las patas del circuito integrado deben pasar por agujeros de 1 mm. En estas condiciones el armado debe ser forzosamente manual porque es muy difícil hacer una máquina posicionadora de tanta precisión. Se puede decir que la misma requeriría tecnología de visión directa del proceso y corrección de las coordenadas de posicionamiento. Luego se realiza un proceso de soldadura en una maquina de soldadura por ola y posteriormente se cortan los terminales sobrantes con una cuchilla giratoria. Todo este procedimiento es lento y muy costoso. Ver la figura 0.1.1.

           0.1.1 Fotografía de circuitos integrados de montaje clásico

Esto hizo que la electrónica progresara en forma relativamente lenta, hasta que se descubrieron las técnicas de montaje superficial, en donde los componentes se montan del mismo lado en que se imprime el cobre de la plaqueta. 

0.2 LA TECNOLOGÍA SMD

En principio no parece que cambiara nada pero realmente hay un cambio fundamental en el proceso de armado SMD (surface mountain device). La plaqueta posee islas rectangulares en coincidencia con la cabeza o patas de los componentes. El primer proceso de armado es la estrucción de estaño en pasta sobre cada isla del circuito impreso. Luego se realiza el sembrado de los componentes con una precisión relativamente pobre, pero a muy alta velocidad y posteriormente se pasa toda la plaqueta con los componentes y el circuito impreso hacia arriba por un horno infrarrojo a una velocidad adecuada para fundir el estaño en pasta. Ver la figura 0.2.1.

Fig.0.2.1 Plaqueta SMD

Cuando el estaño se funde, los componentes flotan sobre cada gotita y se acomodan solos por tensión superficial con una precisión imposible de lograr con cualquier otro método.

Es simple, preciso, económico y se puede hacer a una velocidad muy alta, multiplicando la producción de plaquetas en casi 10 veces comparada con el montaje a mano de componentes clásicos. Y además hay un costoso proceso menos, que es el punzonado de las plaquetas con matrices fabricadas especialmente, que se gastan o rompen frecuentemente. Y ni que decir tiene que las plaquetas tienen ahora un tamaño mucho menor. Todo se cambia por la programación de la máquina sembradora, que una vez confirmada se puede guardar en una memoria, flexibilizando la producción de diferentes plaquetas.

Todo este proceso revolucionó a la industria electrónica de modo que los productos se hicieron mucho más baratos y terminaron por destronar a la mecánica, en unas de las industrias que mueve más dinero en el mundo, que es la automotriz. 

0.3 LA TECNOLOGÍA BGA 

¿Qué tan cerca se podían colocar las patitas de un circuito integrado BGA? Todo depende de la precisión de la maquina sembradora y de las características del horno. Pero con máquinas estándar no se puede llegar a un paso menor a ¼ de mm. Esto limitó muy rápidamente la complejidad de los circuitos integrados y trabó el desarrollo de una escala de integración superior.

El crecimiento se volvió a detener hasta que los fabricantes de circuitos integrados comenzaron a trabajar con tecnología BGA (Ball Grid Array) en donde los contactos de los circuitos integrados se encuentran en la base del encapsulado y no en su perímetro. Es decir que las soldaduras están ocultas por el propio circuito integrado. Ver la figura 0.3.1.

Fig.0.3.1 Circuito integrado BGA

El método de conectividad es muy simple. Se abandonan las patitas rígidas y se cambian por esferitas de soldadura que se funden sobre un circuito impreso intermediario, como finalización del proceso de fabricación del BGA. Dado que la bolilla tiene un diámetro mayor que la isla del BGA se mantiene la forma esférica del contacto, patita, o terminal del BGA.

La plaqueta de circuito impreso, tiene una imagen a espejo de las islas del BGA, de modo que al apoyar el mismo en la plaqueta, las bolillas quedan como un sándwich entre las dos islas circulares.

El procedimiento de armado es el mismo que antes solo que no se coloca soldadura en pasta sobre las islas de los BGA. Cuando la plaqueta con los componentes SMD y BGA ingresa al horno, el calor llega a las bolillas tanto desde arriba como desde abajo y las funde. La tensión superficial realiza su trabajo y ubica al BGA exactamente sobre la grilla de islas de la plaqueta.

Un BGA típico puede utilizar bolillas de 0,6 mm de diámetro, pero como se puede cubrir una superficie y no un perímetro, se pueden ubicar dos o tres veces más contactos que en un SMD.

Con esta tecnología, la industria tuvo una segunda oleada de crecimiento que fue reduciendo el diámetro de las bolillas hasta el momento actual, en que se llega a diámetros de 0,3 mm.

 

0.4 EL SERVICE DE EQUIPOS CON BGA

 

Lo mas importante para nosotros es las posibilidad de reparación de esta tecnología. Con el SMD alcanza con una simple pistola de calor y una punta fina para el soldador. Inclusive se puede obviar la pistola de calor y trabajar solo con "soldadura de bajo punto de fusión" y un soldador común como enseñamos en nuestros cursos de Eprenda.

Con el BGA la pistola de aire caliente es imprescindible, porque es el único modo de calentar la capsula del BGA para que el calor llegue hasta las bolillas. Ver la figura 0.4.1.

Fig.0.4.1 Un BGA por dentro

El encapsulado punteado es conductor del calor y el negro aislante. Por lo tanto el aire caliente que toca en el encapsulado externo llega hasta la plaqueta intermediaria (que también es conductora del calor por ser de epoxi vidrio) y funde las bolillas rápidamente.

Pero el procedimiento no es fácil de implementar y se requiere práctica para lograr una buena desoldadura y su posterior soldadura con nuevas bolillas (reballing) sin quemar el chip.

¿Pero es posible realizar el procedimiento con una pistola de calor? Si se trata de BGA de dimensiones comunes la respuesta es un "si" rotundo, en tanto uno tenga suficiente experiencia. Ahora para BGA con bolillas de 0,3 mm ya se pone muy difícil y se debe recurrir a una máquina.

Seguramente Ud. estará pensando ¿Por qué desoldar y soldar el mismo integrado?. La respuesta tiene una historia que contaremos para terminar con este artículo.

 

0.5 EUROPA Y LA SOLDADURA LIBRE DE PLOMO

 

El alambre de soldadura que Ud. usa todos los días es una aleación de 63% de estaño y 37% de plomo. ¿Y porque estas proporciones tan particulares? Le proponemos un trabajo práctico para demostrar las propiedades de esta aleación.

Haga un agujero de 10 mm en una madera para usarlo como crisol. Funda soldadura en ese agujero y permita que la misma sobrepase la temperatura de fusión en unos cuantos grados (va a necesitar un soldador de por lo menos 60W).

Clave un pequeño clavo en una maderita que va a usar para revolver la soladura fundida. Comience a revolver y verá que resulta sencillo hacerlo hasta que el liquido llega a la temperatura de fusión y entonces se solidifica de golpe sin pasar por un estado pastoso o grumoso. Pasa de líquido a sólido instantáneamente, porque se trata de la proporción llamada eutéctica. Cualquier otra proporción pasa por un estado pastoso intermedio a la solidificación total. Si tuviera una barra de soldadura de hojalatero que es de 50% de estaño y 50% de plomo podría comprobarlo y terminar el trabajo práctico.

Hace unos 5 años Europa prohibió la entrada de productos con plomo, por considerarla una sustancia peligrosamente poluciónante (produce una enfermedad mental llamada saturnismo).

Hasta ese momento todos los BGAs se soldaban con bolillas de aleación eutéctica y no se registraban problemas de soldadura. Pero a partir de allí se comenzó a usar estaño solamente con el consiguiente problema de una mayor temperatura de fusión y con un estado pastoso muy prolongado tal como puede observarse en la carta de aleación de la figura 0.5.1.

                              Fig.0.5.1 Carta de aleación estaño plomo

A la extrema derecha se encuentra el estaño al 100%. Observe que a partir de 180º comienza a hacerse pastoso pero hasta 225º no se puede considerar como totalmente líquido.

Cualquier falla en el proceso de soldadura que genere menos de 225ºC sobre las bolillas, es peligroso, porque la soldadura es quebradiza y los procedimientos de dilatación y contracción propios de un equipo que se enciende y apaga, terminan destruyéndola tarde o temprano.

El hecho comprobado es que los BGAs fallan más por sus soldaduras que por fallas internas. Es decir que desoldarlos, limpiar la soldadura vieja, colocar bolillas nuevas de estaño plomo y resoldarlos, soluciona la gran mayoría de los problemas.

Muchos reparadores consideran que no hace falta sacar el BGA; que con calentarlo nuevamente se regeneran las soldaduras y se soluciona el problema definitivamente. Tanto se insiste en este tema que el procedimiento recibió el nombre de "reflow".

Un reflow suele ser una solución transitoria, porque el problema de raíz no fue solucionado y es el material de las bolillas. La técnica de reflow, por su sencillez, puede considerarse adecuada solo como una confirmación de que hay un problema de soldadura en ese BGA. 

0.6 CONCLUSIONES 

Así presentamos el problema de service mas común de la actualidad y tal vez el mas difícil de solucionar, porque no se trata de comprar algo en el comercio de electrónica. Se trata de conocer el tema; adquirir experiencia práctica e invertir dinero, pero es un tema insoslayable porque aprendemos la técnica o dejamos de reparar.

Este fue el capitulo de presentación para todos aquellos que aun no conocían la tecnología o solo tenían una remota idea de lo que era.

En el próximo artículo vamos a entrar de lleno en este mundo tan extraño para hablar del proceso de "reballing" y de los dispositivos necesarios para aplicarlo.

Agradecimiento: Todas las experiencias prácticas de esta serie fue realizada con máquinas de reballing ZM-R380B de la firma SHENZHEN ZHUOMAO TECHNOLOGY CO. a través de su representante en Argentina Electrotool.



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