Arbeiten mit BGAs: Löten, Reballing und Nacharbeiten

Jul 18, 2023

In unserem vorherigen Artikel über Ball Grid Arrays (BGAs) haben wir untersucht, wie man Leiterplatten entwirft und wie man die aus einem BGA-Gehäuse kommenden Signale weiterleitet. Aber eine Platine zu entwerfen ist eine Sache – diese Chips auf die Platine zu löten, eine ganz andere. Wenn Sie etwas Erfahrung mit dem SMD-Löten haben, werden Sie feststellen, dass jedes SOIC-, TQFP- oder sogar QFN-Gehäuse mit einem feinen Lötkolben und etwas Übung gelötet werden kann. Nicht so bei BGAs: Wir müssen einige Spezialwerkzeuge mitbringen, um sie richtig zu löten. Heute werden wir untersuchen, wie wir diese Chips auf unser Board bekommen und wieder entfernen können, ohne ein Vermögen für Ausrüstung auszugeben.

Für die Großserienproduktion, sei es für BGA-basierte Designs oder jede andere Art von SMD-Arbeit, sind Reflow-Öfen das Werkzeug der Wahl. Sie können zwar Reflow-Öfen kaufen, die klein genug sind, um sie in Ihrer Werkstatt aufzustellen (oder sie sogar selbst bauen), sie nehmen jedoch immer ziemlich viel Platz ein. Reflow-Öfen eignen sich hervorragend für die Produktion von Kleinserien, jedoch nicht so sehr für Reparaturen oder Nacharbeiten.

Ein kleineres, günstigeres und wohl vielseitigeres Werkzeug ist eine Kochplatte. Obwohl Sie Kochgeräte in Lötkochplatten umbauen können, ist es bequemer, eine speziell für diesen Zweck hergestellte mit einem einstellbaren Temperaturregler zu kaufen. Diese werden auch als „Vorwärmer“ bezeichnet und sind auf den üblichen Online-Kanälen für weniger als 100 US-Dollar erhältlich. Sie sind auch ziemlich einfach zu verwenden: Legen Sie einfach Ihre Platine darauf, stellen Sie die gewünschte Temperatur ein und warten Sie, bis das Lot seine Wirkung entfaltet.

Ein Nachteil von Heizplatten besteht darin, dass sie die gesamte Platine auf einmal aufheizen, was sie nicht ideal macht, wenn Sie ein einzelnes Bauteil löten oder entlöten möchten. Hierfür eignet sich eine Heißluftlötstation. Professionelle Heißluftstationen können Tausende von Dollar kosten, aber Sie können Modelle der unteren Preisklasse mit einstellbarer Temperatur und Luftstrom für zwischen 100 und 300 Dollar kaufen.

Auch Heizplatten und Heißluft-Lötstationen funktionieren sehr gut zusammen: Mit der Heizplatte kann die gesamte Platine auf etwa 150 °C vorgewärmt werden, wobei die Heißluftpistole nur an der zu lötenden Stelle eingesetzt wird. Dies reduziert die thermische Belastung der Platine im Vergleich zum Aufheizen nur einer Stelle vollständig von Raumtemperatur.

Wenn Sie bei Null anfangen und sich fragen, welches Werkzeug Sie für Ihr erstes BGA-Projekt kaufen sollen, hier unser Rat: Kaufen Sie als absolutes Minimum eine Heizplatte; Wenn Sie etwas mehr ausgeben können, besorgen Sie sich eine Heißluft-Lötstation. Und wenn Sie das bestmögliche Toolset wollen, kaufen Sie beide.

Ganz gleich, ob Sie einen Ofen, eine Heizplatte, eine Heißluftstation oder eine beliebige Kombination dieser Werkzeuge verwenden, die grundlegenden Schritte zum Löten von BGA-Chips sind dieselben. Beginnen wir mit der bloßen Grundfläche des 49-Ball-ATmega164, den wir letztes Mal entworfen haben:

Der erste Schritt besteht darin, mithilfe einer SMD-Schablone Lotpaste aufzutragen. Heutzutage bieten die meisten Leiterplattenhersteller die Option an, eine Schablone zusammen mit Ihren Leiterplatten zu bestellen. Dies ist praktisch, wenn Sie Lötpaste für beliebige SMD-Komponenten verwenden, nicht nur für BGA-Teile. Richten Sie die Schablone an Ihrer Platine aus (hier ist eine Schablone praktisch) und verteilen Sie dann mit einem Rakel etwas Lötpaste auf der gewünschten Fläche. Sie sollten am Ende eine schöne, gleichmäßige Schicht Paste auf allen Pads erhalten.

Als nächstes platzieren wir die Komponenten. Sie können eine Pinzette oder ein Vakuum-Aufnahmewerkzeug oder sogar eine komplette Bestückungsmaschine verwenden, falls Sie eine haben. Beachten Sie, dass Sie beim Platzieren der Komponente beim BGA-Chip die Pads nicht sehen können. Daher hilft es bei der korrekten Ausrichtung sehr, wenn Sie den Gehäuseumriss auf dem Siebdruck haben.

Zum Schluss erhitzen wir die Platine, damit das Lot zurückfließen kann. Wenn Sie einen Ofen verwenden, stellen Sie ihn einfach auf das im Datenblatt des Chipherstellers empfohlene Reflow-Profil ein. Wenn Sie eine Heizplatte verwenden, stellen Sie diese auf die erforderliche Spitzentemperatur ein: normalerweise etwa 245 °C für bleifreies Lot. Möglicherweise möchten Sie den Wert ein paar Grad höher einstellen, um etwaige Temperaturunterschiede zwischen der Unterseite und der Oberseite der Platine auszugleichen.

Wenn sich die Platine erwärmt, bewegt sich der BGA-Chip ein wenig, da die Oberflächenspannung den Chip an seine Grundfläche anpasst, aber normalerweise ist es schwer zu erkennen, ob das Lot überall richtig geschmolzen ist. Es ist praktisch, ein paar Widerstände oder Kondensatoren auf der Platine zu platzieren, selbst wenn Sie nur den Chip aufschmelzen möchten, da Sie anhand dieser Komponenten leicht erkennen können, ob das Lot ordnungsgemäß aufgeschmolzen ist.

Wenn Sie eine Heißluftstation verwenden, müssen Sie ein wenig mit den Einstellungen experimentieren, um herauszufinden, was am besten funktioniert. Vor allem die „Flow“-Einstellung kann von Modell zu Modell sehr unterschiedlich sein, Sie müssen also herausfinden, wie viel Luftstrom genutzt werden kann, ohne dass die Komponenten durcheinander fliegen. Sobald Sie die richtige Einstellung gefunden haben, wenden Sie die Hitze gleichmäßig auf den Chip und seine unmittelbare Umgebung an. Wenn die Lotkugeln schmelzen, sollten Sie sehen, wie sich der Chip auf seiner Grundfläche bewegt.

Die Schablonen-und-Paste-Methode ist die bevorzugte Methode zum Löten von BGAs und wird in der Regel in den Datenblättern der Hersteller empfohlen. Aber es ist immer noch möglich, einen Chip ohne Schablone zu löten – manchmal hat man nicht einmal eine Wahl, etwa wenn man einen Chip auf einer vorhandenen Platine ersetzt.

Es ist zwar möglich, einen BGA-Chip direkt auf einen Satz blanker Kupfer-PCB-Pads zu löten, bessere Ergebnisse erzielen Sie jedoch, wenn Sie zunächst Lot auf die Pads auftragen: Dadurch wird eine Lötverbindung zwischen Chip und Platine gewährleistet , wodurch die Wärmeübertragung erleichtert wird. Man kann einfach einen Klecks Lötzinn über die Pads ziehen und diesen dann mit dem Entlötgeflecht wieder entfernen, sodass anschließend alle Pads schön flach sind. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr Bügeleisen nicht zu heiß einstellen und das Geflecht immer tupfen und nicht über die Pads ziehen. Es ist sehr einfach, die Pads vom Brett zu lösen, wenn man ein heißes Bügeleisen zu stark nach unten drückt.

Wenn Sie mit dem Entlötgeflecht fertig sind, reinigen Sie den Bereich mit Isopropylalkohol oder Flussmittelentferner und tragen Sie dann eine dünne Schicht frisches Flussmittel auf. Es ist wichtig, nicht zu viel zu verwenden, da sonst beim Erhöhen der Hitze Blasen entstehen und sich die Lötkügelchen lösen. Ansonsten können Sie die Platine einfach wie zuvor beschrieben umschmelzen.

Selbst wenn Sie Ihren Chip beim ersten Mal richtig verlötet haben, müssen Sie ihn möglicherweise zu einem späteren Zeitpunkt wieder entfernen. Obwohl Sie dies auch nur mit einer Heizplatte tun können, ist eine Heißluftstation wirklich das beste Werkzeug für diese Aufgabe. Wenn Sie mit einer großen Platine arbeiten, die viel Wärme ableiten kann, erleichtert Ihnen das Vorheizen des Ganzen das Leben erheblich – ohne Vorheizer werden Sie lange versuchen, die gesamte Platine zu erwärmen, indem Sie auf einen Chip strahlen.

Unser Board ist ziemlich klein und leicht, daher verwenden wir einfach die Heißluftpistole. Beachten Sie, dass wir die Platine vom Tisch angehoben haben, indem wir kleine Gegenstände unter die Ecken gelegt haben: Dadurch wird verhindert, dass der Tisch als Wärmesenke fungiert. Tragen Sie eine großzügige Menge Gel-Flussmittel rund um den Chip auf und erhitzen Sie ihn dann mit der Heißluftpistole.

Während Sie die Düse führen, ziehen Sie vorsichtig mit der Pinzette am Chip. Sie sollten spüren können, wann die Lotkügelchen schmelzen. An diesem Punkt sollten Sie in der Lage sein, den Chip mühelos anzuheben. Wenden Sie zu keinem Zeitpunkt Gewalt an – wenn ein oder zwei Bälle noch nicht geschmolzen sind, könnten Sie ihre Pads vom Brett reißen.

Sobald der Chip entfernt ist, verwenden Sie ein Entlötgeflecht und Ihren Lötkolben, um das restliche Lot von den Pads zu entfernen, und reinigen Sie den Bereich anschließend mit einem Flussmittelentferner. Wenn Sie einen neuen Chip auf der Platine platzieren möchten, tragen Sie einfach eine neue Flussmittelschicht auf und löten Sie den neuen Chip fest.

Interessanter wird es, wenn wir den Chip auch wiederverwenden wollen: In diesem Fall müssen wir uns mit dem Reballing befassen.

Ein entlöteter BGA kann in einem als Reballing bezeichneten Prozess mit einem neuen Satz Lotkugeln bestückt werden. Dafür benötigen wir ein spezielles Werkzeug namens Reballing Jig. Diese besteht aus einer Halterung zum Halten des Chips sowie einer Schablone, die bei der Positionierung der Lotkugeln hilft. Sie können praktische Kits kaufen, die die Schablone, einen Satz häufig verwendeter Schablonen, einen Vorrat an Lötkugeln und einige Handwerkzeuge enthalten, die nützlich sein könnten. Ein solches komplettes Set kostet etwa 100 US-Dollar.

Das Reballing-Set in unserer Werkstatt enthielt einen Satz allgemeiner Schablonen: Sie unterscheiden sich in der Ballgröße und dem Abstand, alle Löcher sind jedoch in einem regelmäßigen, quadratischen Raster angeordnet. Die Idee besteht darin, dass Sie nicht benötigte Löcher mit Klebeband abkleben und so die Schablone an Ihren speziellen Chip anpassen. Dies funktioniert gut, solange das Kugelmuster auf Ihrem Chip nicht zu komplex ist.

Für Chips mit unregelmäßigen Kugelmustern, wie viele Speicherchips, können Sie spezielle Schablonen kaufen, die genau zu diesen spezifischen Layouts passen. Diese werden in der Regel in Sets verkauft, die zu allen Chips eines bestimmten Smartphone- oder Tablet-Modells passen. Ein solches Set eignet sich hervorragend, wenn Sie ein Reparaturunternehmen betreiben, für allgemeine Arbeiten reicht jedoch in der Regel ein einfaches quadratisches Set aus.

Um unseren Chip neu zu kugeln, entfernen wir zunächst alle Reste der alten Kugeln, genau wie wir es auf der Platine getan haben. Verwenden Sie ein Entlötgeflecht und entfernen Sie anschließend alle Flussmittelreste und anderen Schmutz mit Isopropylalkohol oder Flussmittelentferner. Die Pads auf der Unterseite des Chips sollten flach und glänzend aussehen.

Als nächstes montieren wir den Chip in unserer Reballing-Vorrichtung. Dieses spezielle Modell wurde für Chips entwickelt, die deutlich größer sind als unser winziger Mikrocontroller, aber wir können es trotzdem zum Laufen bringen, indem wir nur drei der vier Klemmen verwenden. Beachten Sie, dass die Klemme auf der linken Seite eine kleine Blattfeder hat: Diese positionieren wir zuletzt, um den Chip unter Federspannung zu setzen und ihn fest an Ort und Stelle zu halten.

Jetzt tragen wir eine dünne Schicht klebrigen Flussmittels auf die Oberfläche des Chips auf, das die Kugeln an Ort und Stelle hält und ihnen im nächsten Schritt beim Aufschmelzen hilft. Hier ist es umso wichtiger, sicherzustellen, dass Sie am Ende eine erhaltensehr dünn Schicht, da wir die Schablone sehr nahe am Chip platzieren werden. Wenn Flussmittel auf die Schablone gelangt, bleiben die Lotkügelchen an der Schablone und nicht am Chip haften.

Platzieren Sie die richtige Schablone im oberen Teil der Schablone und richten Sie sie dann aus, bis die Löcher in der Schablone genau mit den Pads auf dem Chip übereinstimmen. Nehmen Sie als nächstes etwas Klebeband und verschließen Sie alle nicht benötigten Löcher. Für unseren kleinen 7×7 BGA bedeutet das, dass wir fast die gesamte Schablone abkleben müssen. Reballing-Sets werden zu diesem Zweck oft mit einer Rolle Kapton-Klebeband geliefert, was hervorragend funktioniert, aber auch normales Klebeband, das Sie in jeder Schreibtischschublade finden, reicht völlig aus – es muss nicht hitzebeständig sein.

Wenn Sie mit dem Kleben fertig sind, setzen Sie den Schablonenhalter wieder auf die Schablone und gießen Sie einige Kugeln auf die Schablone.

Wackeln Sie mit dem Gerät hin und her, um sicherzustellen, dass sich an jeder Position auf dem Chip ein Ball befindet. Möglicherweise müssen Sie einige hartnäckige Stellen mit einer Pinzette oder einem feinen Pinsel entfernen. Sobald alle Schlitze gefüllt sind, heben Sie die Schablone an und gießen Sie alle übrig gebliebenen Kugeln mithilfe der kleinen Rampe unten rechts am Schablonenrahmen zurück in die Flasche.

Als nächstes müssen wir die Kugeln auf den Chip zurückfließen lassen. Heißluft ist hier die einfachste Methode, aber achten Sie darauf, eine sehr niedrige Durchflusseinstellung zu verwenden: Lotkugeln wiegen fast nichts und fliegen schon bei der leichtesten Brise davon. Alternativ können Sie den Chip auch vorsichtig mit Ihrer Pinzette anheben und auf eine Heizplatte oder in Ihren Reflow-Ofen legen. Sobald die Kugeln ihre Schmelztemperatur erreicht haben, werden Sie auf jeden Fall sehen, wie sie sich neu positionieren und fest an den Pads haften. Nachdem der Chip abgekühlt ist, kann er wieder auf einer Platine montiert werden.

Wie Sie sehen, ist das Löten und Entlöten von BGAs gar nicht so schwer, solange Sie über die richtigen Werkzeuge verfügen. Sie können sogar ein absolutes Minimum an Werkzeugen – eine Heizplatte, eine SMD-Schablone und Lotpaste – für weniger als 100 US-Dollar bekommen. Dies sollte ausreichen, wenn Sie nur den einen oder anderen BGA-Chip löten müssen und den Rest lieber von Hand erledigen möchten.

Wenn Sie zum Reflow-Löten Ihrer SMD-Platinen bereits eine Schablone und Lötpaste verwendet haben, ändert das Hinzufügen eines BGA-Chips in die Mischung den Prozess natürlich nicht wirklich. Und wenn Sie noch nicht von den Vorzügen der Lotpaste überzeugt sind, ist jetzt möglicherweise ein guter Zeitpunkt, die Schablone zu bestellen und sich am Reflow-Löten zu versuchen – es ist eigentlich ein sehr unkomplizierter Prozess. Da nun selbst für ein bescheidenes Heimlabor geeignete SMD-Lötwerkzeuge erschwinglich sind, gibt es wirklich keinen Grund, sie nicht zu verwenden.