BGA の使用: はんだ付け、再ボール、再加工

Oct 08, 2023

ボール グリッド アレイ (BGA) に関する前回の記事では、回路基板の設計方法と、BGA パッケージからの信号の配線方法について説明しました。 しかし、基板を設計することと、チップを基板にはんだ付けすることはまったく別のことです。 SMD はんだ付けの経験があれば、SOIC、TQFP、さらには QFN パッケージでも、先端の細いコテと少しの練習ではんだ付けできることがわかります。 BGA の場合はそうではありません。正しくはんだ付けするには、いくつかの特殊なツールを使用する必要があります。 今日は、機器に大金を費やすことなく、これらのチップをボードに取り付ける方法と、再び外す方法を探っていきます。

BGA ベースの設計であろうと、その他の種類の SMD 作業であろうと、大規模生産の場合は、リフロー オーブンが最適なツールです。 作業場に設置できるほど小さいリフロー オーブンを購入することもできます (または自分で組み立てることもできます) が、常にかなりのスペースを占有します。 リフローオーブンは小規模の連続生産には最適ですが、修理や再加工にはあまり適していません。

小型で安価、おそらくより多用途なツールはホット プレートです。 調理器具をはんだ付けホットプレートに変えることもできますが、温度調節可能なコントローラーを備えた、その目的に合わせて特別に作られたものを購入する方が便利です。 「プレヒーター」とも呼ばれるこれらは、通常のオンライン チャネルから 100 ドル未満で入手できます。 使い方も非常に簡単です。基板を上に置き、希望の温度を設定し、はんだが効果を発揮するのを待つだけです。

ホット プレートの欠点は、基板全体を一度に加熱するため、単一のコンポーネントのはんだ付けまたははんだ除去を行う場合には理想的とは言えないことです。 そのためには、熱風はんだ付けステーションが最適です。 プロフェッショナル向けの熱風ステーションは数千ドルかかりますが、温度と風量を調整できる低価格モデルは 100 ドルから 300 ドルで購入できます。

ホット プレートと熱風はんだ付けステーションも非常にうまく連携します。ホット プレートを使用して基板全体を約 150 °C に予熱し、熱風ガンをはんだ付けする部分だけに使用できます。 これにより、1 箇所だけを室温からずっと加熱する場合と比較して、基板上の熱ストレスが軽減されます。

ゼロから始めていて、最初の BGA プロジェクトにどのツールを購入すればよいか迷っている場合は、次のアドバイスがあります。最低限、ホット プレートを購入してください。 もう少しお金を出せるなら、熱風はんだ付けステーションを購入してください。 可能な限り最高のツールセットが必要な場合は、両方を購入してください。

オーブン、ホット プレート、熱風ステーション、またはそれらのツールの組み合わせのどれを使用するかに関係なく、BGA チップをはんだ付けするための基本手順は同じです。 前回設計した 49 ボール ATmega164 のベアフットプリントから始めましょう。

最初のステップは、SMD ステンシルを使用してはんだペーストを堆積することです。 現在、ほとんどの PCB メーカーは、ボードと一緒にステンシルを注文するオプションを提供しています。これは、BGA 部品だけでなく、SMD コンポーネントにはんだペーストを使用する場合に便利です。 ステンシルを基板に合わせて（ここでは治具が便利です）、スキージを使用して必要な領域に少量のはんだペーストを広げます。 すべてのパッドに均一なペーストの層ができるはずです。

次にコンポーネントを配置していきます。 ピンセットや真空ピックアップ ツール、あるいは完全なピック アンド プレース マシンがある場合はそれを使用することもできます。 BGA チップの場合、コンポーネントを配置するときにパッドが見えないため、シルクスクリーン上にパッケージの輪郭があると、適切な位置合わせを行うのに非常に役立ちます。

最後に、基板を加熱してはんだをリフローさせます。 オーブンを使用している場合は、チップ メーカーのデータシートで推奨されているリフロー プロファイルに設定するだけです。 ホット プレートを使用する場合は、必要なピーク温度に設定します。通常、鉛フリーはんだの場合は約 245 °C です。 ボードの底部と上部の間の温度勾配を考慮して、数度高く設定することもできます。

基板が加熱すると、BGA チップは表面張力によってチップとそのフットプリントの位置が合わせられるため少し動きますが、通常、はんだがどこでも適切に溶けているかどうかを確認するのは困難です。 チップのみをリフローする予定の場合でも、基板上にいくつかの抵抗またはコンデンサを配置すると、はんだが適切にリフローしたかどうかがこれらのコンポーネントから簡単に判断できるため便利です。

熱風ステーションを使用している場合は、その設定を少し試して、最適な設定を見つける必要があります。 特に「流量」設定はモデルによってかなり異なるため、コンポーネントをあちこちに吹き飛ばさずにどれだけのエアフローを使用できるかを把握する必要があります。 適切な設定を見つけたら、チップとその周囲に均等に熱を加えます。 はんだボールが溶けると、チップがそのフットプリント上で小刻みに動くのが見えるはずです。

ステンシル アンド ペーストによる方法は、BGA のはんだ付けに推奨される方法であり、通常、メーカーのデータシートで推奨されている方法です。 ただし、ステンシルを使用せずにチップをはんだ付けすることは可能です。既存の基板上のチップを交換する場合など、選択の余地がない場合もあります。

BGA チップを一連の裸銅 PCB パッドに直接はんだ付けすることは可能ですが、最初にパッドにはんだを塗布すると、より良い結果が得られます。これにより、チップと基板間のはんだ同士の接続が確実になります。 、熱伝達を緩和します。 はんだの塊をパッド上にドラッグし、はんだ除去編組を使用して再度除去するだけで、後ですべてのパッドがきれいで平らになります。 アイロンを熱しすぎないように注意し、パッド上で編組を引きずらずに常に軽くたたくようにしてください。 熱いアイロンを強く押しすぎると、パッドがボードから簡単に剥がれてしまいます。

はんだ除去用編組の作業が完了したら、イソプロピル アルコールまたはフラックス リムーバーを使用してその領域を清掃し、新しいフラックスを薄く塗布します。 熱を上げたときに泡が立ってはんだボールが剥がれてしまうのを避けるため、あまり多く使用しないことが重要です。 それ以外は、前述したように単純にボードをリフローすることもできます。

たとえ最初にチップを正しくはんだ付けできたとしても、後で再度チップを取り外す必要がある場合があります。 ホットプレートだけでこれを行うこともできますが、この作業には熱風ステーションが最適です。 大量の熱を吸収する可能性のある大きな基板を扱う場合、基板全体を予熱すると作業がはるかに楽になります。プレヒーターがないと、1 つのチップを爆破して基板全体を加熱するのに何年も費やすことになります。

私たちのボードは非常に小さくて軽いので、ホットエアガンを使用するだけです。 隅の下に小さな物体を置き、ボードをテーブルからどのように持ち上げているかに注目してください。これにより、テーブルがヒートシンクとして機能するのを防ぎます。 ジェルタイプのフラックスをチップの周囲にたっぷりと塗布し、ホットエアガンで加熱します。

ノズルを使いながら、ピンセットでチップをゆっくりと引っ張ります。 はんだボールが溶ける瞬間を感じることができ、その時点でチップを楽に持ち上げることができるはずです。 いかなるときも力を加えないでください。1 つまたは 2 つのボールがまだ溶けていない場合は、ボールのパッドをボードから引き剥がす可能性があります。

チップを取り外したら、はんだ除去ブレードとアイロンを使用してパッドから残ったはんだを取り除き、フラックスリムーバーを使用してその領域をきれいにします。 新しいチップをボードに配置することが目的の場合は、フラックスの新しい層を塗布し、新しいチップを所定の位置にはんだ付けするだけです。

チップを再利用したい場合は、事態はより興味深いものになります。その場合、リボールを検討する必要があります。

はんだが除去された BGA には、リボールとして知られるプロセスで新しいはんだボールのセットを取り付けることができます。 そのためには、リボールジグと呼ばれる特別なツールが必要です。 これは、チップを保持するための固定具と、はんだボールの位置を決めるのに役立つステンシルで構成されます。 ジグ、一般的に使用されるステンシルのセット、はんだボールの供給、および役立つ可能性のあるいくつかの手動ツールを含む便利なキットを購入できます。 このような完全なセットの費用は約 100 ドルです。

私たちのワークショップにあるリボールキットには、一般的なステンシルのセットが付属していました。ボールのサイズとピッチは異なりますが、すべての穴が規則的な正方形のグリッドに配置されています。 このアイデアは、テープを使用して不要な穴をマスクし、それによって特定のチップに合わせてステンシルをカスタマイズするというものです。 チップ上のボールパターンが複雑すぎない限り、これはうまく機能します。

多くのメモリ チップのように、不規則なボール パターンを持つチップの場合は、特定のレイアウトに正確に一致する特殊なステンシルを購入できます。 これらは通常、スマートフォンまたはタブレットの特定のモデルのすべてのチップに適合するセットで販売されます。 このようなセットは修理業を経営する場合には最適ですが、一般的な作業には通常、単純な四角いセットで十分です。

チップをリボールするには、PCB 上で行ったのと同じように、最初に古いボールの残りをすべて取り除きます。 はんだ除去用ブレードを使用し、イソプロピルアルコールまたはフラックスリムーバーを使用して、残ったフラックスやその他の汚れをすべて取り除きます。 チップの底部のパッドは平らで光沢があるように見えるはずです。

次に、リボール治具にチップを取り付けます。 この特定のモデルは、当社の小型マイクロコントローラーよりも大幅に大きいチップ向けに設計されていますが、4 つのクランプのうち 3 つだけを使用しても動作させることができます。 左側のクランプに小さな板バネが付いていることに注目してください。チップにバネの張力をかけ、所定の位置にしっかりと保持するために、これを最後に配置します。

次に、チップの表面に粘着性のあるフラックスの薄い層を塗布します。これにより、ボールが所定の位置に保持され、次のステップでのリフローが容易になります。 ここでは、最終的に次の結果が得られることを確認することがさらに重要です。非常に薄いですステンシルをチップのすぐ近くに配置するためです。 フラックスがステンシルに付着すると、はんだボールがチップではなくステンシルにくっついてしまいます。

正しいステンシルをジグの上部の内側に配置し、ステンシルの穴がチップ上のパッドと正確に揃うまで位置を合わせます。 次に、粘着テープを取り、不要な穴をすべて閉じます。 私たちの小さな 7×7 BGA の場合、これはステンシルのほぼ全体をテープで剥がすことを意味します。 多くの場合、リボールキットにはこの目的のためにカプトンテープのロールが付属しており、これは非常に効果的ですが、机の引き出しにある通常のセロハンテープでも十分に機能します。耐熱性である必要はありません。

テーピングが完了したら、ステンシル ホルダーをジグの上に戻し、ボールをステンシル上に注ぎます。

フィクスチャを小刻みに動かして、チップ上の各位置にボールがあることを確認します。 頑固な部分はピンセットや細いブラシを使って操作する必要があるかもしれません。 すべてのスロットが埋まったら、ステンシルを持ち上げ、ステンシル フレームの右下にある小さなランプを使用して、残ったボールをボトルに戻します。

次に、ボールをチップ上にリフローする必要があります。 ここでは熱風が最も簡単な方法ですが、必ず非常に低い流量設定を使用してください。はんだボールの重さはほとんどなく、穏やかな風でも飛んでいきます。 あるいは、ピンセットを使ってチップを慎重に持ち上げて、ホット プレートまたはリフロー オーブンに置くこともできます。 いずれの場合でも、ボールが溶解温度に達すると、ボールが再配置され、パッドにしっかりと貼り付くことがわかります。 チップが冷えたら、再び基板に取り付ける準備が整います。

ご覧のとおり、適切なツールを持っていれば、BGA のはんだ付けとはんだ除去はそれほど難しくありません。 ホット プレート、SMD ステンシル、はんだペーストといった絶対的な最小限のツールセットでも、100 ドル未満で入手できます。 BGA チップを時々はんだ付けするだけで、残りは手作業で行う場合は、これで十分です。

もちろん、すでにステンシルとはんだペーストを使用して SMD ボードをリフローしている場合は、そこに BGA チップを投入してもプロセスは大きく変わりません。 また、はんだペーストの利点に納得していない場合は、今がそのステンシルを注文してリフローに挑戦してみる良い機会かもしれません。これは実際には非常に簡単なプロセスです。 今では、適切な SMD はんだ付けツールが小規模なホームラボでも手頃な価格で手に入るようになったので、それらを使用しない理由はまったくありません。