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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:

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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:

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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.

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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.

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Dosierung der Flussmittelgels


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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.

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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.

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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.

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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!

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