Travailler avec des BGA : soudage, reballage et retouche

Dans notre précédent article 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 du soudage CMS, 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 des BGA : il va falloir sortir quelques outils spécialisés pour les souder correctement. Aujourd'hui, nous allons explorer comment placer ces puces sur notre carte et comment les retirer sans dépenser une fortune en équipement.

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

Une plaque chauffante est un outil plus petit, moins cher et sans doute plus polyvalent. 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. Également appelés « préchauffeurs », ils peuvent être obtenus pour moins de 100 $ sur les canaux en ligne habituels. Ils sont également assez faciles à utiliser : placez simplement votre carte 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 même temps, 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 d'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 endroit à température ambiante.

Si vous partez de zéro et que vous vous demandez quel outil acheter pour votre premier projet BGA, voici notre conseil : 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 les 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 souder à l'aide d'un pochoir CMS. 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 carte (un gabarit est utile ici), puis étalez un peu de pâte à souder sur la zone souhaitée 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 de saisie et de placement complète si vous en avez une. Notez que pour la puce BGA, vous ne pouvez pas voir les pastilles lorsque vous placez le composant, donc avoir le contour de l'emballage sur la sérigraphie aide beaucoup à obtenir un alignement correct.

Enfin, nous chaufferons la carte pour permettre à la soudure de 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 à la température maximale requise : généralement environ 245 °C pour une soudure sans plomb. Vous souhaiterez 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.

À mesure que la carte chauffe, la puce BGA bouge un peu à mesure que la tension superficielle aligne la puce avec 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 envisagez de refusionner uniquement la puce, car vous pouvez facilement déterminer à partir de ces composants si la soudure a refondu correctement.