selbst BGA / Reflowlöten
Einen sehr guten Einstieg in die Materie bietet der Artikel "BGAs selber löten".
Wer den Aufwand scheut, oder so wie ich, wenig Zeit zum Bauen eines eigenen
Reflowofens samt Steuerung hat, kann ein kommerzielles Reflowofen kaufen. Ich
hatte das Glück, ein Reflowofen von Typ PAGGEN - "Fokus 20" bei Ebay
ersteigern zu können. Neu sind diese Geräte relativ teuer. Im
Folgenden fasse ich meine Erfahrungen, die beim BGA-Löten mit diesem
Reflowofen gesammelt wurden, zusammen.
Platinenoberfläche
Wird mittels einer Schablone Lötpaste auf die LP aufgetragen, ist eine
chemisch verzinnte oder vergoldete Oberfläche vorzuziehen. Wird jedoch
ohne Lötpaste nur mit Flussmittel gelötet, so hat sich eine
HAL-verzinnte Oberfläche als sinnvoll erwiesen, weil diese
zusätzliches Lot mitbringt.
Auftragen der Lötpaste
Soll eine größere Anzahl von Platinen bestückt werden, kommt
man nicht um einen Schablonendrucker und passender Pastenschablone nicht herum.
Das manuelle Bedrucken der Leiterplatten (LP) ist ein recht aufwendiger
Vorgang, bei dem einiges zu beachten ist, doch nur auf diese Weise kommt man zu
sehr professionellen Lötergebnissen. Zunächst wird die LP unterhalb
der Schablone in den Schablonendrucker gespannt. Die Schablone muss
möglichst plan über der LP aufliegen. Ein Spalt zwischen den beiden
könnte sich beim Bedrucken mit Lötpaste füllen, das muss auf
jeden Fall vermieden werden. Beim Auftragen der Lötpaste mit einem
richtigen Druck und Geschwindigkeit des Spachtels sollten fast keine
Lötpastenrückstände auf der Schablone übrig bleiben:

Nach dem Auftragen der Lötpaste
Gelingt es nicht, beim ersten Druckvorgang alle Pads mit Lötpaste zu
füllen, dann sollte man nicht versuchen die LP gleich ein zweites Mal zu
bedrucken. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es bei einer LP mit
Feinpitch-Bauteilen in der Regel nicht klappt. Dabei dringt die Lötpaste
zwischen die LP und Schablone. In diesem Fall sollte man einfach die LP und die
Schablone reinigen und einen zweiten Versuch starten. Nach dem Auftragen wird
die Schablone vorsichtig angehoben und das Druckbild begutachtet:

ein fast perfektes Druckbild
Anschließend wird die LP mit den Bauelementen
bestückt. Beim Bestücken muss darauf geachtet werden, dass die ICs
möglichst exakt auf die Pads gelegt werden. Das Bestücken der kleinen
diskreten Bauelemente ist nicht so kritisch, diese richten bei dem
Lötvorgang aufgrund der Adhäsionskräfte von selbst aus. Eine
Lötpaste verfügt in der Regel über gewisse Klebkräfte, so
können ein Mal positionierte Bauteile nicht so einfach verrutschen.
Anschließend wird die LP in einem Reflowofen gelötet. Der Vorteil
einer solchen Vorgehensweise, dass alle Bauteile auf ein Mal gelötet
werden.

bestückte Leiterplatte
Das Gesamtergebniss kann unter der Rubrik "Cyclone II
Board" begutachtet werden.
oder Auftragen des Flussmittelgels
Für Prototypen bzw. wenn nur einzelne BGA-Baustein(e) gelötet
werden sollen, reicht ein gutes Flussmittelgel aus. Ich setze Flussmittelgel
"FL 22" von EDSYN ein. Dieser ist u.a. bei
Reichelt unter der Bestellnummer
"EDSYN FL 22" erhältlich. Die 5ml Spritze reicht für das
Löten von mehr als 200 BGA256 Bausteinen. Es wird nur ein bischen des
Flussmittelgels aus der Spritze gedrückt und gleichmäßig
über das Footprint (innerhalb der Kontur des Positionsdrucks) verteilt.
Zum Verteilen benutze ich die Klinge eines Skalpells. Die Dicke de Schicht
sollte etwa 0.2-0.4 mm betragen. Aufgrund meiner Erfahrung hat sich
herausgestellt, dass die Dicke der Schicht ein unkritischer Faktor ist.

Dosierung der Flussmittelgels

Verteilter Flussmittelgel
Bauteilpositionierung
In dem Artikel "BGAs
selber löten" werden zur exakten Positionierung der BGA-Bausteine
kurze Kupferbahnen auf der Platinenoberfläche an den Footprintecken
verwendet. Diese haben den Nachteil, dass die zur Verfügung stehende
Entflechtungsfläche der Leiterbahnen auf der LP-Oberfläche reduziert
wird. Das erweist sich bei sehr vielen an den Baustein anzuschließenden
Leitungen als ein Problem. Um diesem Nachteil zu entgehen, benutze ich zur
Markierung der Bauteilposition den Positionsdruck. Dabei bekommt der
BGA-Baustein eine Kontur, die möglichst genau den Bauteilabmessungen
entspricht. Die Dicke der Konturlinie ist 0.15 mm. Mit dieser Vorgehensweise
handelt man sich u. U. ein anderes Problem ein: Der Positionsdruck wird in
einem eigenen Arbeitsgang aufgetragen. D.h. je nach LP-Hersteller, kann es zu
minimalen Verschiebungen zwischen Kupferpads und Positionsdruck kommen. In
diesem Fall ist bei der Positionierung ein gutes Augenmaß hilfreich.

Positionierung von dem BGA-Baustein innerhalb der Markierung
Reflowofen vorwärmen
Nach dem Einschalten dauert es etwa 8 Minuten, bis der Reflowofen
vorgewärmt ist. Nach der Vorwärmphase ertönt ein schriller Ton.
Soll ein BGA Baustein mit bleifreien Lot gelötet werden, empfehle ich
einen Lötvorgang ohne LP (im Leerlauf) durchzuführen, um sicher zu
gehen, daß die Löttemperatur sicher erreicht wird.
letzte Vorbereitungen
Die Leiterplatte(n) sind möglichst in die Mitte des Schlittens zu
legen. An den Rändern des Schlittens ist die Löttemperatur etwas
niedriger als in der Mitte. Anschliessend wird die Position der Bausteine noch
mal kontrolliert und der Schlitten möglichst ruckfrei und
gleichmäßig in den Reflowofen gefahren. Sobald der Schlitten die
linke Wand der Reflowofenkammer erreicht hat, startet der Lötvorgang.

Kurz vor dem Lötvorgang
Lötvorgang
Dazu ein kurzes Video (ca. 21 MByte,
DivX-Encoder).
Kontrolle der Lötstellen
Auch wenn kein Röntgen-Gerät zur Verfügung steht, ist eine
Kontrolle fast aller Lötstellen möglich (und nötig).
Zunächst sollte man die Lötstellen der äußeren BGA -
Bällchenreihen in Augenschein nehmen. Glänzen die Bällchen? Wenn
ja, ist es zumindest bei bleihaltigen Loten ein Hinweis auf optimale
Löttemperatur und ausreichend Flussmittel. Dann sollte man zwischen der LP
und Bausteingehäuse, längst der Bällchenreihen, gegen Licht
gucken. Schimmert zwischen einzelnen Reihen kein Licht durch, ist es ein
Hinweis dass entweder zuviel Flussmittel genommen wurde, oder dass sich zwei
benachbarte Bällchen verklumpt haben.

Optische Kontrolle der Lötstellen
Folgender elektrischer Test funktioniert besonders gut bei einzelnen
Bausteinen: Die FPGAs haben an den Ein- und Ausgängen s. g.
Clampingdioden. Diese sind gegen die Masse und auch gegen die
Versorgungsspannung (VccIO) geschaltet. Zum Test wird ein Multimeter in den
Diodentestmodus benötigt. Wird nun von diesem Multimeter zwischen der
IO-Leitung und der Masse bzw. Vcc ein Spannungsabfall von etwa 0.5- 0.8 Volt
angezeigt, dann ist der Stromkreis geschlossen und das entsprechende
Bällchen angelötet. Bem.: Dieser Test funktioniert
natürlich nicht bei Spannungsversorgungspins! |