Trabalhando com BGAs: Soldagem, Reballing e Retrabalho

Jul 18, 2023

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 bem diferente. Se você tiver alguma experiência com soldagem SMD, descobrirá que qualquer pacote SOIC, TQFP ou mesmo QFN pode ser soldado com um ferro de ponta fina e um pouco de prática. O mesmo não acontece com os BGAs: precisaremos de algumas ferramentas especializadas para soldá-los corretamente. Hoje exploraremos como colocar esses chips em nossa prancha 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 preferida. Embora você possa comprar fornos de refluxo pequenos o suficiente para serem colocados em sua oficina (ou até mesmo construí-los você mesmo), eles sempre ocuparão bastante espaço. Os fornos de refluxo são ótimos para produção em série em pequena escala, mas não tanto para reparos ou retrabalhos.

Uma ferramenta menor, mais barata e possivelmente mais versátil é uma placa quente. Embora você possa converter aparelhos de cozinha em placas de solda, é mais conveniente comprar um feito especificamente para esse fim, com um controlador de temperatura ajustável. Também conhecidos como “pré-aquecedores”, podem ser adquiridos por menos de US$ 100 nos canais online habituais. 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 vez, o que as torna nada ideais se você deseja soldar ou dessoldar um único componente. Para isso, uma estação de solda a ar quente é a ferramenta a ser utilizada. Estações de ar quente profissionais podem custar milhares de dólares, mas você pode comprar modelos de gama inferior, com temperatura e fluxo de ar ajustáveis, por entre US$ 100 e US$ 300.

As placas quentes e as 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 a partir da temperatura ambiente.

Se você está começando do zero e está se perguntando qual ferramenta comprar para seu primeiro projeto BGA, aqui vai nosso conselho: no mínimo, compre uma placa quente; se você puder gastar um pouco mais, compre uma estação de solda a ar quente; e se você deseja 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 básica do ATmega164 de 49 bolas que projetamos da última vez:

O primeiro passo é depositar a pasta de solda utilizando 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 acabar com uma camada bonita e uniforme de pasta em todas as almofadas.

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 consegue ver os pads na hora de colocar o componente, então ter o contorno da embalagem na serigrafia ajuda muito a conseguir um alinhamento adequado.

Por fim, aqueceremos a placa para permitir o refluxo da solda. 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 o pico de temperatura necessário: normalmente cerca de 245 °C para solda sem chumbo. Você pode querer defini-lo alguns graus mais alto para compensar qualquer gradiente de temperatura entre a parte inferior e superior da placa.

À medida que a placa aquece, 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 se você estiver planejando refluir apenas o chip, porque você pode facilmente dizer a partir desses componentes se a solda refluiu corretamente.