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SOLDADURAS BGA
Soldadura y desoldadura de CI BGA (2)


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1.1  INTRODUCCIÓN

Felices los tiempos en donde nuestro trabajo terminaba en prácticamente determinar el componente dañado. Luego nuestro ayudante se encargaba de cambiar el componente porque se trataba de un trabajo menor. En la Argentina el modismo era "che pibe, cambia este transistor y probalo" ("che pibe": aprendiz encargado de las tareas mas simples).

Actualmente, determinar el circuito integrado dañado suele ser más fácil, simplemente porque un equipo tiene cada vez menos integrados, incluyendo algunos, como los monitores de PC, que tienen solo uno y la pantalla. Pero ese circuito integrado es siempre un SMD o un BGA, que el "pibe" no sabe cambiar y que el técnico no puede cambiarlo porque no tiene las máquinas o herramientas adecuadas o cree que no las tiene.

¿Cual es entonces la primera pregunta que debe hacerse un reparador para decidir si puede o no puede seguir trabajando y viviendo de esta profesión? La primera pregunta es: mi taller tiene todo lo necesario para trabajar con esta nueva tecnología aunque sea para comenzar en una pequeña escala de producción.

Y ciertamente el problema no es técnico, porque yo le aseguro que si Ud. posee una moderna maquina infrarroja y la capacitación incluida con ella seguramente no tendrá problema en soldar y desoldar diez SMD y BGA por día. El problema es calcular que la inversión en esa máquina sea rentable. Pero es imprescindible una máquina de esas para desoldar y soldar un BGA. La respuesta es que no. Ud. puede arreglarse simplemente con una pistola de aire caliente para comenzar a trabajar, pero no debe desconocer el método del perfil térmico programado que usan las máquinas profesionales. Estamos seguros que al conocer la técnica profesional comenzará a considerar que debería estar ahorrando el dinero necesario para realizar la correspondiente inversión; porque no es lo mismo un reballing con una pistola de aire caliente que con una máquina, aunque sea de precio mas modesto, lo cual no significa que sea la de peor calidad. No le estamos diciendo que encare la compra de la más barata, sino que se capacite en máquinas para que pueda entender por sus propios medios cual es la que le conviene comprar.

El mercado de las maquinas de reballing da para todo. Encontramos máquinas de todos los precios y de todas las calidades incluyendo algunas que ni siquiera merecen el apelativo de "máquina" porque son verdaderos engendros mecánicos, que solo pueden haber salido de una mente afiebrada por el deseo de economizar a toda costa, haciendo caso omiso de la calidad de la soldadura y el desempeño en general.

La síntesis de este curso es "aprenda y fórmese su propio criterio para elegir lo mejor al precio mas económico".

Unas palabras con respecto a la tecnología SMD. Es un error suponer que una maquina es solo para BGA. Si el diseño es bueno, una máquina para BGA permite trabajar con SMD dejando las dos manos libres para un trabajo más cómodo. No se olvide del SMD porque es una tecnología actual y que creemos que va a estar vigente por mucho tiempo más.

 

1.2 CONOCIENDO A UN BGA

 

Como ya sabemos un BGA es un circuito integrado que se conecta a la plaqueta de circuito impreso por medio de bolillas de soldadura. No hay patitas metálicas rígidas, conectores u otros elementos de conexión. Toda la plaqueta base del BGA está llena de islas circulares coincidentes con islas similares de la plaqueta del equipo. Es decir que hay un sándwich de islas de cobre con bolillas de soldadura intermedias. Esta disposición puede observarse en la figura 1.2.1.

Fig.1.2.1 Interior de un BGA clásico

Como vemos el calor que llega a las bolillas de soldadura lo hace rodeando el encapsulado relativamente conductor del calor, cuando viene desde arriba y debe atravesar una placa de circuito impreso que se busca que sea lo mas conductora posible del calor mediante agujeros metalizados y material de epoxi glass (placa base del BGA).

El chip está rodeado de un plástico aislador del calor como si estuviera en un capullo protector. Por supuesto que la protección del capullo no es eterna. En cierta forma el calor se comporta como las cargas eléctricas; los materiales poseen una resistencia térmica y el chip una capacidad. Las cargas no llegan inmediatamente al chip pero si se espera lo suficiente se establece un estado de equilibrio térmico que puede quemarlo inexorablemente.

Todo esto puede ser representado como un circuito eléctrico en donde la masa de las bolillas y el chip se representan como capacitores y los encapsulados como resistores. Ver la figura 1.2.2.

  

      Fig.1.2.2 Circuito equivalente térmico

Como podemos observar si aplicamos aire caliente a 280ºC sobre el encapsulado la temperatura de las bolillas crece más rápido que la temperatura del chip, de modo que a los 200 milisegundos las bolillas están licuadas porque se encuentran a 238 ºC y el chip está a salvo solo a 93 ºC.

Esto nos permite soldar o desoldar el BGA sin fundir el chip de silicio que requiere 175ºC para cambiar del estado cristalino al líquido. Por supuesto que la escala de tiempos esta deformada; en general se trata de tiempos del orden de minutos, pero el proceso es el indicado con toda seguridad.

¿Qué pasa si dejamos que el calor fluya mucho después que las bolillas ya se fundieron? Que la temperatura del cristal va a seguir creciendo hasta que llegue a un valor peligroso y se funda el cristal del chip causando un daño permanente. Por otro lado también se va a evaporar el flux ubicado sobre la plaqueta y sin fundente la soldadura es defectuosa porque no moja bien al cobre.

Por eso decimos que las bolillas deben recibir la cantidad de calor justa para licuarse y un poco más, como margen de seguridad. Y el chip debe recibir una cantidad de calor mucho menor que la necesaria para licuarse.

Si Ud. trabaja con una pistola de aire caliente solo puede entregarle calor a las bolillas calentando la carcasa del circuito integrado y entonces la temperatura del cristal se acerca a valores peligrosos. Pero si no tiene una máquina no tiene más remedio que operar de ese modo. 

1.3 TRABAJANDO A MANO 

Con una pistola de aire caliente, no hay modo de programar los tiempos de trabajo. El único método que se puede aplicar es el que llamamos "de la jeringa" Tanto para desoldar como para soldar, el final de la acción se reconoce por empujar levemente el BGA en sentido paralelo a la plaqueta como para pasarlo de una línea de islas a la siguiente pero con una amplitud de movimiento menor a la mitad del paso de la matriz de islas. Si el integrado regresa a su posición en forma elástica significa que las bolillas están totalmente líquidas y no se requiere mas aporte de calor. Si la aguja se dobla significa que falta calor y las bolillas están sólidas. Es importante mantener el ángulo de 45º con el cual se realiza la prueba porque permite observar la curvatura de la aguja antes de realizar el movimiento. Ver la figura 1.3.1.

Fig.1.3.1 Movimiento de prueba de fusión de las bolillas

Hagamos algún cálculo real de la amplitud del movimiento requerido para que la prueba sea valida. Una bolilla de diámetro medio podría ser de 0,5 mm de diámetro. En ese caso los centros de las bolillas estarán a unos 0,75 mm entre si y la amplitud del movimiento puede ser como máximo la mitad de ese valor es decir 0,37 mm porque si es superior enviamos el circuito integrado al siguiente paso de la matriz. Es decir que en este caso hay que procurar realizar un movimiento de 0,25 mm (1/4 de mm).

Seguramente si Ud. eligió correctamente el flujo de aire y la temperatura va a llegar a esa condición en unos minutos. En caso contrario aconsejamos detener el proceso, enfriar el integrado y comenzar con otra elección de flujo y de calor.

Se requiere experiencia práctica para elegir la temperatura y el flujo de aire, ya que es tal la variedad de tamaños de plaquetas de BGAs y de pistolas de calor, que no se pueden obtener tablas del proceso. Ud. me dirá que su pistola de calor posee medidor de temperatura pero esa no es la temperatura del chip, es tan solo la temperatura a la cual sale el aire caliente de la boquilla; la temperatura del chip la tiene que estimar Ud. a lo sumo midiendo la temperatura de la carcaza o encapsulado del circuito integrado.

Hasta que el proceso está dominado el problema es como saber que el chip sobrevivió al proceso de desoldadura y soldadura. No se puede trabajar con chips dañados, porque hace falta probarlos luego del proceso. Por lo tanto se requiere realizar experiencias levantando la temperatura y el flujo de aire poco a poco y probando con la jeringa. 

1.4 TRABAJANDO A MÁQUINA

¿Y cual es la diferencia fundamental cuando se trabaja a máquina? La diferencia fundamental esta en que hay dos fuentes de calor y no solamente una. Por un lado se calienta la plaqueta desde el lado contrario al VGA con radiadores infrarrojos del tipo resistores de alambre cubiertos de cerámica y por otro se calienta por arriba el encapsulado del VGA pero con un flujo de aire una temperatura del aire y una altura fija de forma muy precisa. Es decir que la mano se reemplaza con una torre de calentamiento ajustable. Ver la figura 1.4.1.

 

Fig.1.4.1 Clásica máquina de Reballing

Como se puede observar la máquina puede dividirse en una parte superior por arriba de la plaqueta y una inferior por debajo de la misma. El flujo superior se puede orientar y dirigir además de cambiar la temperatura del aire el caudal y la sección.

Cuando decimos ajustables en realidad deberíamos decir programable, porque la mayoría de las máquinas de primera marca poseen algún tipo de programador que ajusta tiempos, caudal y temperatura de la fuente de aire caliente, superior e inferior. Esta unidad de control está incorporada en la parte inferior de la máquina. Las buenas maquinas poseen además un cable generalmente para el puerto USB de una PC para permitir memorizar y controlar el proceso desde la misma. Esto se llama trazar un perfil térmico porque se puede ajustar el momento en que se enciende el calefactor inferior; la velocidad de crecimiento de esa fuente de calor; el tiempo que permanece encendida, el momento en que comienza a bajar la temperatura inferior y su velocidad de decrecimiento. Paralelamente se puede programar el momento en que se enciende la torre calefactora superior. El ritmo de crecimiento de su temperatura, el tiempo en que permanece encendida y el ritmo de decrecimiento de la temperatura.

En una palabra, que las bolillas de soldadura se calientan desde el circuito integrado y desde la plaqueta de circuito impreso y esas dos vías hacen una enorme diferencia con el proceso manual alejando al chip de las temperaturas peligrosas. 

1.4 CONCLUSIONES 

En esta primera parte presentamos el problema de la soldadura de los BGA en la segunda parte vamos a explicar porque el doble calentamiento reduce el peligro para el chip.

La fotografía de la máquina mostrada en este artículo es el modelo ZM-R380B de la firma SHENZHEN ZHUOMAO TECHNOLOGY CO. , LTD. A la cual agradecemos su gentileza.



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