Con los años, los circuitos y componentes se hicieron más pequeños y delicados mientras han crecido en complejidad y funcionalidad. Al mismo tiempo, la feroz competencia ha puesto gran presión en cada aspecto del ciclo de manufactura, haciendo que el rendimiento y la rentabilidad sean claves.  Dentro de este escenario, el retrabajo, lejos de ser una tarea opcional u ocasional, se ha transformado en inevitable. También es una de partes más riesgosas y demandantes del ciclo electrónico, especialmente cuando están involucrados matrices. Ciertamente, el retrabajo eficiente y de calidad, es el factor individual de mayor importancia que influencia una exitosa y ventajosa implementación de BGA. Ahora, con la introducción de procesos libres de plomo, la calidad del retrabajo se hace más crítica, dado que los materiales libres de plomo requieren temperaturas de procesamiento mayores que podrían tensionar o causar un daño irreversible a los materiales de la tarjeta y los componentes sensibles al calor.

Ya sea usando procesos de compostura con plomo o libres de plomo, y sin importar que  sea el retrabajo de componentes convencionales o matrices, los pasos principales en el retrabajo, (desoldado, remoción, limpieza y re-colocación) permanecen mayoritariamente sin modificaciones. Estos están tan bien documentados y comprendidos por los profesionales de retrabajo por lo que no es necesario describirlas aquí. Más bien, este artículo propone enfocarse en el calentamiento, el mayor problema introducido por el retrabajo libre de plomo, y como refluir mejor los componentes de matrices en grandes Circuitos Impresos (PCBs, su sigla en inglés) de doble faz.

Los problemas:
 
Temperaturas mayores
Considerando que la soldadura de plomo se derrite a 183ºC, y refluye a 210-220ºC. SAC, la aleación de soldadura libre de plomo más popular, se derrite a 217ºC y refluye entre 235ºC y 250ºC. Esta temperatura se encuentra muy cerca de la temperatura a la cual los componentes se dañarán. El límite IPC para dañar los componentes de forma irreversible es 260ºC, por ejemplo, ya es demasiado alto para algunos fabricantes de componentes. Esta claro por esto que las ventanas de procesamiento se reducen más que lo que sucedía anteriormente. También está claro que los perfiles de temperatura, por ejemplo: los niveles de temperatura objetivo, velocidades de elevación de temperatura, tiempos de absorción, variaciones de temperatura, y tamaño y posicionamiento del calentador deben estar precisamente establecidos y controlados si desean evitarse fallas tales como deformaciones, derretimiento, circuitos abiertos, cortocircuitos, puentes, deslaminación, ampolladuras e incluso pérdida del componente. Dicho esto, las mayores temperaturas son necesarias y para poder una unión confiable, la soldadura libre de plomo debe calentarse al menos a 230ºC. Dado que las variaciones de proceso están en el orden del +/- 5ºC, se entiende que la menor temperatura posible para lograr una unión de soldadura confiable es 235ºC, o, de acuerdo con las normas NEMI, 245ºC.

Daño del recubrimiento del BGA
Cuando se trabaja a estas temperaturas, uno de los mayores desafíos es mantener una baja temperatura en el recubrimiento del BGA reprocesado, el cual a menudo está hecho de plástico sensible al calor. En BGAs grandes, las temperaturas elevadas harán que el recubrimiento se arqueé en las esquinas, una causa importante de puentes, especialmente donde los componentes son difíciles de soldar correctamente. Esto se puede deber al uso de malos materiales de sustrato del BGA. Algunos fabricantes de componentes no han desarrollado sus paquetes originales de procesamiento con plomo para temperaturas libres de plomo, sino simplemente los sueldan con soldadura libre de plomo, o quizás ofrecen un paquete transitorio, más económico mientras mudan a verdaderos paquetes libres de plomo.

Diferencia de temperatura
Otro factor a considerar cuando se retrabaja es la diferencia de temperatura o delta T, entre distintas partes del conjunto. Un buen proceso de retrabajo, con controles de proceso ajustados, asegurará que la diferencia de temperatura entre los puntos de soldadura a retrabajar está cerca a los 5ºC y debajo de 10ºC. De modo similar, para evitar el arqueado de la tarjeta y los problemas subsiguientes con la confiabilidad, algunos fabricantes especifican un delta T a lo largo de la tarjeta de sólo 7ºC.

Velocidad de la elevación de temperatura
El tiempo es oro y cuanto más rápido es el resultado, mejor es el margen de ganancias. Esto es válido para el retrabajo como para cualquier otra parte del ciclo de manufactura, por lo que cuanto más rápido se logra el refluido, mejor. Consecuentemente, los profesionales del retrabajo están bajo presión para mantener las tasas de velocidad de elevación de temperaturas altas para soldaduras libre de plomo, también en parte debido a las altas temperaturas objetivo. La velocidad de descenso de temperatura también es más rápida asegurando que el tiempo empleado en derretir y los picos de temperaturas permanecen tan cortos como sea posible. Aquí también, el control de proceso es clave.

Calentadores y temperatura del aire
Cuando se calientan componentes de la matriz, los calentadores de convección, los cuales usan aire caliente forzado a través de una boquilla, son más prácticos que los calentadores de conducción, dado que tienen un efecto inmediato, permitiendo así que las temperaturas aumenten gradualmente en todo el conjunto y el bloque.

Un factor de principal importancia es el tamaño y posición de los calentadores en relación al PCB. Si el calentador sólo se concentra en el área a ser retrabajada, el sustrato alcanza temperaturas que son muy superiores a las que pueden tolerarse mientras el resto del PCB se mantiene frío. Esto provocará que el PCB se arquee, tensionando sus conexiones, mientas que las temperaturas locales muy altas pueden ampollar la soldadura. 

Para evitar estos problemas, el enfoque estándar para calentar PCBs con proceso de plomo involucra no sólo calentar el BGA objetivo, sino toda la tarjeta, a temperaturas de retrabajo fijando la temperatura de aire a un máximo de 220°C. De esta forma, las temperaturas de superficie de componentes podrían alcanzar entre 190º y 200ºC, mientras el soldador calienta a 220ºC.

Desafortunadamente, por varias razones, algunas compañías han descubierto que para sus costos el mismo enfoque no podría ser usado para PCBs libres de plomo debido a que las mayores temperaturas de aire serían desastrosas, especialmente para el lado inferior de la tarjeta. Esto se debe, como en la parte superior, está cubierta por delicados componentes y conectores. Sus partes plásticas podrían terminar arqueadas y deformadas, necesitando retrabajo adicional, o las soldaduras de plomo pueden refluirse total o parcialmente. Así los componentes y conexiones podrían estirarse,  alargar las uniones o incluso arruinar la cara inferior de la tarjeta. Debido a que existen tales potenciales de defectos y daños, estos componentes, como aquellos en la parte superior, deberían verificarse por quemaduras, decoloración o arqueado después del retrabajo.

Algunos profesionales del retrabajo tratarán de evitar estos riesgos pre-calentando sus tarjetas libres de plomo desde abajo bien debajo de los 217ºC (punto de derretimiento), y luego calentar directamente el BGA desde arriba hasta que se logre el refluido. Aunque es mejor que no precalentar, el BGA sin embargo estará expuesto a temperaturas sobre su límite tolerable para poder obtener que sus bolas de soldadura subyacentes refluyan, incurriendo en el riesgo de daño por calor. 

El perfil ideal para tarjetas de doble faz con BGAs
Teniendo en cuenta todos estos problemas, queda claro que el retrabajo de matrices en PCBs grandes de doble faz requiere perfiles térmicos que son programados cuidadosamente y controlados continuamente. Esto debería usarse en equipos de refluido lo suficientemente grandes para alojar y soportar al PCB para protegerlo de arqueados, suficientemente poderosos para pre-calentar toda la tarjeta rápidamente, y lo suficientemente exactos para sólo refluir la parte que se está retrabajando, dentro de límites precisos de tiempo y temperatura. 



Fig. 1 Ejemplo de soldadura térmica libre de plomo

Naturalmente, el perfil térmico ideal para cualquier tarjeta dependerá de su tamaño, masa, tipos de componentes y densidad de componentes. Para un PCB grande de doble faz con componentes de matriz por ejemplo, incluirá una etapa de precalentado. Este usa un calentador grande de matriz posicionado debajo de la tarjeta para calentar todo el conjunto a una temperatura inferior al punto de derretido de la soldadura, idealmente a 190ºC. En este punto el calentador grande del lado inferior se apaga y es reemplazado por boquillas de calentamiento del lado superior e inferior que se concentran localmente en el sitio de retrabajo del BGA para llevarlo a temperatura de refluido por un pequeño período. Gracias a la etapa de precalentado, y a ellas trabajando en conjunto, las boquillas locales de calentamiento pueden usar flujos de aire de menor temperatura para lograr la temperatura deseada. Esto reduce significativamente el riesgo de daño de calor al BGA y su recubrimiento, así como las máscaras de soldadura que las rodean.

Además; manteniendo el resto del PCB a temperaturas de 190-200ºC, la temperatura del sitio de retrabajo puede ser disminuida a temperaturas seguras rápida y fácilmente, eliminando el riesgo de arqueados locales en la tarjeta. Adicionalmente, dado que el resto de la tarjeta se mantiene en temperaturas por debajo de refluido, hay menor riesgo de daños en los dispositivos del lado inferior, y el soldador refluye sólo donde es necesario. También es posible, usando este enfoque, mantener el delta T a lo largo de la tarjeta dentro de tolerancias muy ajustadas. 

Conclusión
La experiencia, paciencia, y una gran tarea de prueba y error han llevado al desarrollo de un perfil de proceso de calor de retrabajo para tarjetas de doble faz que sirve como una base valiosa para desarrollar óptimos perfiles térmicos de productos específicos usando un software dedicado.

La precisión y velocidad son claves del éxito, retrabajos ventajosos, y no siempre simplemente ‘levantar la temperatura’ en el software existente. Es esencial que el equipo de retrabajo sea lo suficientemente poderoso para trabajar cómoda y precisamente a mayores temperaturas necesarias para procesos libres de plomo, mientras que un ajustado circuito de retroalimentación y software de control dedicado se hacen claves para un retrabajo de matrices de calidad, rápida y de bajo costo.