BGA rework: een defecte BGA verwijderen en vervangen

Een defecte BGA vervangen vraagt meer controle dan het desolderen van een component waarvan de aansluitingen zichtbaar zijn. De soldeerverbindingen bevinden zich onder de component en tijdens de rework krijgt een reeds geassembleerde printplaat opnieuw een thermische cyclus te verwerken.

Je wilt voldoende warmte inbrengen om alle soldeerverbindingen onder de BGA te laten smelten, zonder de PCB, pads of omliggende componenten onnodig thermisch te belasten. Na het verwijderen moet de footprint bovendien correct worden voorbereid voordat een nieuwe BGA kan worden geplaatst.

Een BGA rework bestaat daarom uit verschillende stappen die nauw met elkaar samenhangen.

1. Beoordeel de PCB voordat je begint

Een standaardinstelling die voor iedere BGA en printplaat werkt, bestaat niet. Kijk daarom eerst naar de assembly die je voor je hebt.

Een dikke multilayer PCB met veel koper neemt bijvoorbeeld meer warmte op en voert die anders af dan een dunne printplaat. Ook de grootte van de BGA en temperatuurgevoelige componenten in de omgeving beïnvloeden het proces.

Controleer vooraf onder andere:

• de thermische massa van PCB en BGA;
• de gebruikte soldeerlegering;
• temperatuurgevoelige componenten rond de BGA;
• de beschikbare ruimte rond de component;
• mogelijke vochtopname door PCB of componenten.

Op basis daarvan kun je bepalen hoe de printplaat tijdens het rework verwarmd en eventueel lokaal beschermd moet worden.

2. Desoldeer de defecte BGA gecontroleerd

Bij het desolderen moeten alle soldeerverbindingen onder de BGA vloeibaar zijn voordat je de component optilt.

Dat is belangrijk. Wanneer een deel van het soldeer nog niet volledig gesmolten is en er toch kracht op de component wordt uitgeoefend, kunnen pads van de printplaat worden losgetrokken.

Een BGA reworkstation gebruikt daarom boven- en onderverwarming. Vooral bij PCB’s met een hogere thermische massa helpt onderverwarming om de assembly gecontroleerd op temperatuur te brengen. De bovenverwarming brengt vervolgens gerichter warmte in rond de BGA.

Met een thermokoppel meet je zo dicht mogelijk bij de BGA wat er daadwerkelijk op de PCB gebeurt. Je vertrouwt dus niet uitsluitend op de ingestelde temperatuur van het verwarmingselement.

Pas wanneer de soldeerverbindingen voldoende gereflowd zijn, wordt de BGA gecontroleerd opgetild.

Het temperatuurprofiel speelt hierin een belangrijke rol. Dat behandelen we afzonderlijk in Hoe stel je een temperatuurprofiel op voor BGA rework?

3. Reinig en prepareer de footprint

Na het verwijderen van de BGA blijft er doorgaans soldeer achter op de pads. De footprint is daardoor nog niet klaar voor een nieuwe component.

Eerst wordt flux aangebracht. Vervolgens kan het resterende soldeer bijvoorbeeld met een soldeerbout en desoldeerlitze of een geschikt desoldeersysteem worden verwijderd.

Ook hier moet de thermische belasting worden beperkt. Te veel warmte of te lang contact verhoogt het risico op beschadiging van de pads. Volgens Interflux kan langdurige blootstelling aan vloeibaar soldeer bovendien het koper van pads en printbanen aantasten.

Werk daarom met een zo laag mogelijke effectieve temperatuur en een zo kort mogelijke thermische belasting.

Na het verwijderen van het overtollige soldeer wordt de footprint gereinigd. Het doel is een schoon en voldoende vlak oppervlak met intacte pads.

4. Breng de juiste flux of soldeerpasta aan

Voor het plaatsen van de nieuwe BGA wordt geschikte soldeerchemie aangebracht.

Afhankelijk van de toepassing kan gewerkt worden met onder andere vloeibare flux, fluxgel, soldeerpasta of dip paste. Die producten hebben verschillende eigenschappen en zijn niet zomaar onderling uitwisselbaar.

Een fluxgel heeft bijvoorbeeld een hogere viscositeit en kan helpen om de BGA voor reflow op zijn positie te houden. Soldeerpasta bevat naast flux ook metaal en voegt dus extra soldeer toe. Bij dip paste worden de balls van de BGA in een gecontroleerde laag pasta gedipt.

Ook residu verdient aandacht. Zodra de BGA geplaatst is, is het moeilijk om de ruimte eronder grondig te reinigen. De keuze van de chemie moet daarom vóór het solderen al rekening houden met de vereiste reinheid na het proces.

Dit onderwerp vraagt meer verdieping. Daarom behandelen we het afzonderlijk in Welke flux of soldeerpasta gebruik je voor BGA rework?

5. Positioneer de nieuwe BGA

Na het voorbereiden van de footprint en het aanbrengen van de gekozen flux of pasta kan de nieuwe BGA worden geplaatst.

Omdat de aansluitingen zich onder de component bevinden, is een nauwkeurige uitlijning belangrijk. Een BGA reworkstation kan hiervoor een optisch positioneringssysteem gebruiken waarmee de balls van de BGA en de pads op de PCB ten opzichte van elkaar worden uitgelijnd.

Daarna wordt de component gecontroleerd op de footprint geplaatst.

Een correct temperatuurprofiel kan een foutieve positionering niet oplossen. Uitlijning en reflow zijn twee afzonderlijke voorwaarden voor een goede verbinding.

6. Soldeer volgens een gecontroleerd temperatuurprofiel

De nieuwe BGA wordt vervolgens volgens een vooraf bepaald profiel gesoldeerd.

Het doel is niet om de component zo snel mogelijk boven de smelttemperatuur te brengen. PCB en BGA moeten gecontroleerd worden verwarmd, waarbij rekening wordt gehouden met onder meer de thermische massa, soldeerlegering en maximaal toegestane componenttemperatuur.

Bij BGA rework zijn onder andere de opwarmsnelheid, tijd boven liquidus en piektemperatuur belangrijk.

Het profiel voor het plaatsen van de nieuwe BGA hoeft bovendien niet identiek te zijn aan het profiel waarmee de oude component werd verwijderd.

Daarom wordt een profiel bij voorkeur op de daadwerkelijke assembly gemeten en geoptimaliseerd in plaats van een standaardprofiel blind over te nemen.

7. Controleer het resultaat

Na reflow kan de BGA er van bovenaf correct uitzien, maar de soldeerverbindingen bevinden zich onder de component.

Afhankelijk van de toepassing kan de verbinding daarom verder worden gecontroleerd met bijvoorbeeld endoscopische inspectie, röntgeninspectie en een functionele test van de printplaat.

Pas na deze controle is het reworkproces afgerond.

BGA rework vraagt controle over het volledige proces

Een betrouwbare BGA rework wordt niet bepaald door één temperatuurinstelling of één type flux. Iedere processtap heeft invloed op de volgende:

1. beoordelen
2. desolderen
3. reinigen
4. flux of pasta aanbrengen
5. positioneren
6. solderen
7. controleren.

Smans ondersteunt bedrijven bij het opzetten en optimaliseren van dit proces, van reworkapparatuur en positionering tot het meten en beoordelen van temperatuurprofielen. Samen met Interflux kan daarnaast worden bekeken welke flux, fluxgel, soldeerpasta of dip paste bij de toepassing past.