Rework BGA : comment déterminer le bon profil de température ?

Lors du rework BGA, il faut apporter suffisamment de chaleur pour faire fondre de manière fiable tous les joints de soudure sous le composant. En parallèle, il est essentiel de limiter la charge thermique imposée au PCB, au BGA et aux composants environnants.

Le profil de température constitue donc l’un des paramètres les plus importants du processus de rework.

Il n’existe toutefois pas de profil universel. Les réglages appropriés dépendent du PCB, du composant, de l’alliage de soudure et des conditions thermiques autour du BGA.

Le principe essentiel est donc le suivant : ne partez pas d’une température fixe, mais du profil de température réellement mesuré sur l’assemblage.

Pourquoi ne pas simplement utiliser le profil de refusion d’origine ?

Lors de l’assemblage initial, l’ensemble du PCB passe par un processus de refusion contrôlé. Le rework BGA crée une situation thermique différente.

Le PCB est déjà entièrement assemblé. Les composants situés autour du BGA peuvent être sensibles à un nouveau cycle thermique. De plus, la chaleur est appliquée localement, tandis que le reste du PCB absorbe et dissipe une partie de cette énergie.

Un profil adapté à la refusion initiale n’est donc pas automatiquement approprié au rework BGA.

Les profils utilisés pour dessouder et pour braser le nouveau BGA ne doivent pas nécessairement être identiques non plus. Lors du dessoudage, les joints existants doivent devenir suffisamment liquides pour permettre le retrait du composant en toute sécurité. Lors du placement d’un nouveau BGA, de nouveaux joints de soudure doivent être formés.

Commencez par la masse thermique du PCB

La masse thermique est l’un des premiers facteurs à évaluer.

Un PCB multicouche épais contenant beaucoup de cuivre absorbe davantage d’énergie et répartit la chaleur différemment d’un PCB plus fin contenant moins de cuivre.

Cela influence directement la vitesse à laquelle l’assemblage peut être chauffé.

Pour un PCB présentant une masse thermique élevée, un gradient de chauffe plus faible peut être nécessaire. La chaleur dispose ainsi de suffisamment de temps pour se répartir dans l’assemblage, ce qui permet de limiter les écarts de température importants.

Un PCB fin avec une faible masse thermique réagit plus rapidement et nécessite donc des réglages différents.

Avant d’établir un profil, prenez notamment en compte :

• l’épaisseur et la structure du PCB ;
• la quantité de cuivre ;
• les dimensions du BGA ;
• les composants environnants ;
• les matériaux utilisés ;
• l’éventuelle absorption d’humidité.

L’humidité mérite une attention particulière. Une montée en température trop rapide peut créer une pression interne et des contraintes mécaniques susceptibles d’endommager le composant ou le PCB.

Mesurez la température sur le PCB, pas uniquement au niveau du système de chauffe

La température de consigne de l’élément chauffant ne vous indique pas la température réellement atteinte par le BGA.

Un thermocouple doit donc être positionné aussi près que possible du composant. Vous pouvez ainsi suivre l’évolution réelle de la température sur l’assemblage pendant le processus.

Cette distinction est importante.

La température du système de chauffe peut être nettement supérieure à celle mesurée près du BGA, car une partie de l’énergie est absorbée par le PCB et les composants environnants.

Un processus de rework maîtrisé ne se base donc pas uniquement sur les réglages du système de chauffe, mais sur le profil de température réellement mesuré sur le PCB.

Pourquoi chauffer par le haut et par le bas ?

Le rework BGA utilise généralement un chauffage supérieur et inférieur.

Le chauffage inférieur permet d’amener progressivement le PCB à température. Le chauffage supérieur peut ensuite apporter de l’énergie de manière plus ciblée dans la zone du BGA.

Cette approche est particulièrement importante pour les PCB présentant une masse thermique élevée. Elle évite que toute l’énergie nécessaire doive être apportée localement par le haut.

L’objectif est d’obtenir une répartition contrôlée de la chaleur : suffisamment d’énergie au niveau des joints de soudure, sans exposer inutilement le BGA ou les composants environnants à des températures excessives.

Les composants sensibles à la température peuvent, si nécessaire, être protégés ou refroidis.

À quelle vitesse peut-on chauffer un BGA ?

Un profil de température progressif et presque linéaire constitue souvent un bon point de départ pour le rework BGA.

Pour un assemblage présentant une masse thermique élevée, une vitesse de chauffe d’environ 1 °C par seconde ou moins peut servir de point de départ. Si davantage de temps est nécessaire pour répartir la chaleur dans le PCB, le gradient peut être encore réduit, par exemple vers 0,7 °C/s.

Il ne s’agit toutefois pas de valeurs universelles.

Le gradient approprié dépend du PCB et du composant concernés. Les différents matériaux ne se dilatent pas non plus tous de la même manière pendant la chauffe. Des écarts de température importants peuvent donc générer des contraintes mécaniques.

L’objectif n’est pas de chauffer le plus rapidement possible. Une montée en température suffisamment uniforme et contrôlée est plus importante.

Combien de temps la soudure doit-elle rester au-dessus du liquidus ?

Le liquidus est la température au-dessus de laquelle l’alliage de soudure est entièrement liquide.

Dans un processus de refusion conventionnel, le temps au-dessus du liquidus peut être relativement long. Lors d’un rework BGA, le temps nécessaire peut être plus court puisque de la soudure est déjà présente dans les joints.

À titre indicatif, un temps au-dessus du liquidus d’environ 20 à 40 secondes peut être envisagé pour le rework BGA.

Cette valeur ne doit toutefois pas être considérée comme un réglage fixe. La durée nécessaire dépend de l’alliage de soudure, de la masse thermique et de l’objectif du profil.

Lors du dessoudage, par exemple, les joints doivent uniquement rester liquides suffisamment longtemps pour permettre le retrait du BGA en toute sécurité.

Quelle température de pointe utiliser ?

La température de pointe dépend de l’alliage de soudure ainsi que des limites thermiques du PCB et des composants.

Il faut dépasser suffisamment le point de fusion pour obtenir une refusion complète. Mais chauffer davantage que nécessaire augmente la charge thermique.

Pour le SAC305, par exemple, la température de fusion se situe autour de 219 °C. Une température de pointe possible se situe autour de 239 °C, tandis qu’il est généralement recommandé de rester, dans la mesure du possible, sous environ 245 °C.

Ces valeurs doivent être considérées comme des indications de processus et non comme un profil BGA universel.

La fiche technique du composant, l’alliage de soudure utilisé et la température mesurée sur l’assemblage réel restent déterminants.

Un bon profil BGA se mesure, il ne se copie pas

L’une des principales erreurs lors de l’établissement d’un profil de rework BGA consiste à rechercher un ensemble de réglages pouvant être appliqué à tous les PCB.

Un tel profil n’existe pas.

Un profil approprié se construit en évaluant l’assemblage, en définissant un profil de départ, en mesurant la température réelle à proximité du BGA puis en ajustant le processus.

Les principaux paramètres doivent être considérés dans leur ensemble :

masse thermique → vitesse de chauffe → liquidus → température de pointe → charge thermique

Smans peut vous accompagner dans l’établissement, la mesure et l’optimisation des profils de température pour le rework BGA. Le profil peut ainsi être adapté au PCB et au composant réellement concernés, plutôt que de se baser sur un réglage générique.