BGA の使用: はんだ付け、再ボール、再加工

Jun 27, 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。