Работа с BGA: пайка, реболлинг и доработка

Jul 18, 2023

В нашей предыдущей статье о матрицах с шариковой сеткой (BGA) мы рассмотрели, как проектировать печатные платы и как маршрутизировать сигналы, выходящие из корпуса BGA. Но спроектировать плату — это одно, а паять эти чипы на плату — совсем другое. Если у вас есть некоторый опыт пайки SMD, вы обнаружите, что любой корпус SOIC, TQFP или даже QFN можно припаять с помощью утюга с тонким жалом и небольшой практики. С BGA дело обстоит иначе: нам понадобятся специальные инструменты, чтобы правильно их паять. Сегодня мы рассмотрим, как установить эти чипы на нашу плату и как их снова снять, не тратя целое состояние на оборудование.

Для крупномасштабного производства, будь то проекты на основе BGA или любой другой вид работ SMD, лучшим выбором являются печи оплавления. Хотя вы можете купить печи оплавления, достаточно маленькие, чтобы разместить их в своей мастерской (или даже построить их самостоятельно), они всегда будут занимать довольно много места. Печи оплавления отлично подходят для мелкосерийного производства, но не столько для ремонта или доработки.

Меньший по размеру, более дешевый и, возможно, более универсальный инструмент — это электроплита. Хотя вы можете переоборудовать кухонные приборы в конфорки для пайки, удобнее купить специально предназначенную для этой цели плиту с регулируемым регулятором температуры. Их также называют «предварительными нагревателями», их можно приобрести менее чем за 100 долларов в обычных онлайн-каналах. Они также довольно просты в использовании: просто поместите плату сверху, установите желаемую температуру и подождите, пока припой сотворит свое волшебство.

Недостатком нагревательных пластин является тот факт, что они нагревают всю плату одновременно, что делает их далеко не идеальными, если вы хотите припаять или отпаять один компонент. Для этого подойдет паяльная станция горячего воздуха. Профессиональные станции горячего воздуха могут стоить тысячи долларов, но вы можете купить модели более низкого класса с регулируемой температурой и потоком воздуха по цене от 100 до 300 долларов.

Горячие пластины и паяльные станции с горячим воздухом также очень хорошо работают вместе: с помощью горячей пластины можно предварительно нагреть всю плату примерно до 150 °C, а фен можно использовать только для паяемой части. Это снижает термическое напряжение на плате по сравнению с нагревом только одного места от комнатной температуры.

Если вы начинаете с нуля и задаетесь вопросом, какой инструмент купить для своего первого проекта BGA, вот наш совет: как минимум купите нагревательную пластину; если вы можете потратить немного больше, приобретите термовоздушную паяльную станцию; и если вам нужен лучший набор инструментов, купите оба.

Независимо от того, используете ли вы духовку, плиту, станцию ​​горячего воздуха или любую комбинацию этих инструментов, основные этапы пайки чипов BGA одинаковы. Начнем с основания 49-шарового ATmega164, который мы спроектировали в прошлый раз:

Первым шагом является нанесение паяльной пасты с помощью трафарета SMD. Большинство производителей печатных плат сегодня предлагают возможность заказать трафарет вместе с платами, и это удобно, если вы используете паяльную пасту для любых SMD-компонентов, а не только для BGA-деталей. Совместите трафарет с платой (здесь пригодится приспособление), затем с помощью ракеля нанесите немного паяльной пасты на необходимую область. У вас должен получиться красивый ровный слой пасты на всех подушечках.

Далее мы разместим компоненты. Вы можете использовать пинцет или вакуумный захват или даже полноценную машину для захвата и размещения, если она у вас есть. Обратите внимание, что для чипа BGA вы не можете видеть контактные площадки при размещении компонента, поэтому наличие контура корпуса на шелкографии очень помогает обеспечить правильное выравнивание.

Наконец, мы нагреем плату, чтобы припой оплавился. Если вы используете духовку, просто установите для нее профиль оплавления, рекомендованный в таблице данных производителя чипа. При использовании горячей пластины установите необходимую пиковую температуру: обычно около 245 °C для бессвинцового припоя. Возможно, вы захотите установить его на несколько градусов выше, чтобы учесть любой температурный градиент между нижней и верхней частью платы.

Когда плата нагревается, чип BGA будет немного смещаться, поскольку поверхностное натяжение выравнивает чип по его отпечатку, но обычно трудно увидеть, расплавился ли припой должным образом. Удобно разместить на плате несколько резисторов или конденсаторов, даже если вы планируете паять только микросхему, поскольку по этим компонентам вы можете легко определить, правильно ли оплавлен припой.