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Al reparar tu soldadura BGA ¿es mejor reflow, reballing o rework?

Uno de los problemas más complicados de reparar de nuestros dispositivos electrónicos es cuando deja de hacerse un contacto correcto entre los chips con los núcleos clave encargados de las tareas y los procesos, con los contactos del PCB para unirlo con el resto de conectores. Puede que sea por el calor, por los golpes, la suciedad o cualquier otro elemento adverso. El BGA de tu componente defectuoso va a necesitar una reparación mediante reflow, reballing o rework. Cada uno es diferente.

Si se rompe la soldadura BGA del chip de nuestra tarjeta gráfica o CPU, no es fácil repararlo uno mismo. Es necesario usar máquinas de soldadura especializadas, que solamente están disponibles en talleres dedicados, que pueden alargar la esperanza de vida del dispositivo dañado. Pero hay que decir que se trata de una solución temporal en el caso del proceso de reballing o reflow, porque o se eliminan los problemas que han hecho que sean necesarios estos procesos de reparación.

En todo caso, en este artículo te explicamos qué sucede exactamente para que se dañen las soldaduras, los métodos de reparación que hay, qué implican y cuál es el mejor.

¿Qué es un chip BGA?

Las siglas de BGA son las de las palabras «Ball Grid Array», o «conjunto de bolas«, al cual nos vamos a referir aquí como BGA. Es un tipo especial de montaje superficial utilizado para los circuitos integrados. En él, la electrónica SMD se fija y monta en la superficie de la placa SMD. Un encapsulado BGA no suele contener pines ni cables, sino cables esféricos dispuestos en conjuntos en la parte inferior del paquete. De ahí viene su nombre.

Debido a su forma esférica, una de las formas de reparación de esta soldadura es el reballing, consistente en fundir los cables para que vuelvan a tener esa forma esférica. Los dispositivos que usan soladura BGA pueden contener un mayor número de pines y un mayor espacio entre ellos. Estas bolas no contienen plomo, sino estaño, plata y cobre, o cualquier otra aleación que el fabricante considere.

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Los paquetes BGA se utilizan para el montaje permanente de dispositivos. Pueden proporcionar más clavijas de conexión que colocando cajas planas o dobles en serie. Aunque pueden montarse de forma más eficiente en las placas de circuito impreso utilizando aplicaciones SMT.

Los pines utilizados en esta tecnología son bolas de soldadura dispuestas en un patrón en la parte inferior del paquete. El hecho de que sean pequeñas esferas hace que se aumente la superficie de las conexiones y no solo la periferia, para así usar toda la parte inferior del dispositivo.

La soldadura BGA se utiliza en varios productos electrónicos para ensamblar diferentes circuitos integrados como FPGAs, chips WiFi y FPGAs entre otros. También se utiliza en módulos de memoria RAM, conjuntos de chips para PC y microcontroladores.

Según diferentes normativas, las bolas que conectan el PCB a la placa, deben de ser estaño sin plomo, porque son para montaje superficial. Las bolas de contacto del chip sí que pueden tener plomo, pero el propio chip está protegido por una resina para evitar que se doble y se acceda a ellas de forma física. Las bolas de contactos del chip tienen la peculiaridad de ser más pequeñas que las del contacto de los sustratos del PCB con la placa.

Debido a que los chips precisan de más conexiones y tienen menos espacio, la conexión entre el chip y la PCB tiene unas esferas más pequeñas que las de la unión entre los sustratos del PCB y la placa. Por ende, tienen un menor margen para ser dañados pro su uso y tener así problemas de conexión. Además, de sufrir estos daños, ni el reballing ni el reflow pueden solucionar los problemas del BGA, pues es necesario cambiar totalmente el chip, con el proceso de rework.

¿Por qué se degradan estas soldaduras?

Todo se debe al estaño del que están hechas las soldaduras BGA. Para entender el problema del estaño, hay que entender también que nuestros chips y semiconductores empiezan a fallar por dos motivos, incluso si están totalmente estáticos, ajenos a golpes y en una temperatura controlada. Con su uso, es inevitable que se puedan dañar los componentes, aunque es lógico que si reciben un uso más intensivo, más propensos a estos daños van a ser.

El primer problema es el voltaje. Hay que visualizar una soldadura como un canal de estaño, plomo o cualquier otra aleación, que sufre la electromigración. Esto es que cuando pasa por los conductores un voltaje, independientemente de su intensidad, varias de sus partículas se desplazan a otras zonas en vez de una línea perfectamente recta. Con ello se generan huecos o fisuras a nivel microscópico que provocan los problemas de contacto entre el chip y el PCB, o los sustratos del PCB y la placa. Estos agujeros y fisuras causan que las esferas que deben de hacer contacto, no lo hagan. Es cierto que a más voltaje, más electromigración sucede porque más electrones pasan por los circuitos.

El otro gran problema es la temperatura con su uso, porque disminuye la resistencia del conductor y aumenta la intensidad. Es decir, conforme usamos un dispositivo electrónico, aumentamos la posibilidad de que su circuitería interna, especialmente los contactos entre chips y el PCB; se dañe, sobre todo en épocas de calor o en equipos con una mala refrigeración.

¿Puede el calor afectar a los contactos del BGA?

La respuesta corta es «no«, al menos de forma normal y accidental. No, no se pueden dañar estos conectores debido a que el estaño se funde a aproximadamente 200º C. Piensa que conforme se acerca a los 100º C, cualquier dispositivo va a tener su propio limitador integrado por motivos de seguridad, para evitar recalentamientos críticos.

Ese límite de 100º C está lejos de los 200º C en los que se punde el estaño. Lo mismo se puede decir de la presión física si haces fuerza al instalar el disipador en tu CPU. Si bien es recomendable no hacer más fuerza de la necesaria para no dañar la capa superior, no es probable que con ello hagamos daño en lso conectores del BGA.

Máquinas que se usan para reparar soldaduras BGA

Para estas reparaciones, se usan máquinas de infrarrojos usadas para soldar componentes. Son capaces de enfocar energía y calor a nivel microscópico para realizar las modificaciones de cada tratamiento. Las máquinas como tal no son capaces de hacer el rework, dado que el proceso de rework implica desechar el chip original, y sustituirlo por uno nuevo.

Sí se usan para el caso del reballing, que introduce nuevas bolas al sustrato del PCB; y el reflow, que funde y resolidifica las bolas de los contactos. Dado que se usan a niveles minúsculos, son máquinas sofisticadas y que solamente las podrás encontrar en talleres especializados. A no ser que dispongas de un taller de reparación en casa, ninguno de estos tres procesos los puedes hacer en tu hogar.

¿Qué es el rework a la hora de arreglar el BGA?

El rework es el cambio del chip completo que incluye levantar el chip, limpiar y cambiar. Esto es de lo más complicado de hacer, porque precisa de tener un sustituto del chip o núcleos que ya no hacen contacto. En chips genéricos y fáciles de conseguir, como pueden ser módulos de una memoria RAM, es posible hacerlo porque es material fácil de conseguir.

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Pero hablando de una tarjeta gráfica, difícilmente NVIDIA, AMD o Intel van a distribuir solamente chips sueltos para tarjetas gráficas a talleres de reparación, principalmente por lo ineficiente que es. Debido a la complejidad del proceso y al coste, sale más a cuenta hacerse con una nueva tarjeta gráfica

¿Qué es el reflow a la hora de reparar el BGA de un chipset?

El reflow es el proceso de recalentado para la refundición y resoldadura de las bolas de estaño de un chip BGA. Este tiene el riesgo de que al calentar mucho la parte de abajo, la parte que une el sustrato del PCB con la placa, dos bolas pueden quedar unidas o reformarse en una bola más grande que o haga el contacto. Cuando sucede esto, el reballing sí que es una solución, pero es para solucionar un problema por el reflow.

Este proceso se ha hecho muy popular por ser relñativamente más rápido y accesible que el reballing. Pero como dijimos, tiene sus riesgos y no es una solución milagrosa. Cuando se funden estas bolas originales, parte de la aleación que une el chip principal al PCB, con lo que podríamos poner en re

¿Qué es el reballing?

El reballing es el cambio completo de las bolas de estaño de los chips BGA, como forma de reparar las conexiones entre los chips y los contactos del PC, ya sea de la tarjeta gráfica o la conexión. Hay una falsa creencia de que es una solución permanente, pero en realidad es algo más temporal, y si tienes que hacer reballing a uno de tus componentes, toca ir mirando un sustituto.

Cuando hacemos reballing a un chip gráfico o algún componente, normalmente se cambian las bolas de estaño que conectan el sustrato del PCB a la placa. ¿Qué pasa con las bolas que conectan el propio chip a la PCB? El propio chip está protegido por una resina para evitar que se doble y se acceda a ellas de forma física. Las bolas de contactos del chip tienen la peculiaridad de ser más pequeñas que las del contacto de los sustratos del PCB con la placa.

El reballing sí que era una solución en consolas Xbox y PlayStation, debido a que conn l uso, su PCB más fino de lo normal hacía que se curvara con el uso y volviera a su posición origial al apagarse. Pero el chip original también se doblaba y no recuperaba su forma, con lo que las bolas de contacto de los extrem,os ya sí que no funcionaban y en este caso, el reballing era la solución dadoq ue sustit´uía las bolas que no contactaban con unas más grandses.

El reballing también es una solución si se da el caso de vivir en una zona calurosa y con humedad, que las bolas de contacto han estado en contacto con agua condensada y que se haya generado ocidación. Dado que el reballing sustituye propiamente dicho las soldaduras de estaño o cualquier aleación. Ahí sí que se elimina un problema, si es que es del contacto del PCB a la placa, que no del chip al PCB.

¿Por qué no hay técnicas milagrosas para reparar el chip de una gráfica o portátil?

Las máquinas de soldadura y de calor que se usan en estas reparaciones, ya sea con reflow o con reballing, generan un calor que llega a las esferas de contacto que han sufrido la electromigración que hemos contado antes. Cuando se hace reflow o reballing, lo que se hace es remoldear las esferas de contacto y el resultado son uans esferas más pequeñas porque ya no tienen agujeros ni fisuras, pero siguen haciendo contacto.

Pero en realidad no es una solución definitiva, pues es más bien temporal. Si ha sufrido una grave electromigración, el reballing y el reflow no arreglan el problema, porque las bolas de estaño que unen el chip a la PCB volverán a sufrirlo, y siendo más pequeñas, tendrán un menor margen de resistencia.

¿Que es mejor apra reparar la soldadura BGA? ¿Reflow, reballing, o rework?

Una vez hemos explicado en qué consiste cada uno de los tres procesos más usados para al reparación de chips BGA, toca discernir cuál es mejor. Objetivamente, ninguna solución vale para todos los problemas, y depende de dónde se produzca el error, y qué consecuencias tenga.

  • Rework: cambiar todo el chip retirando el original y conectando uno nuevo. Esto es muy complicado debido a que con los chips de más bajo coste, lo que cuesta el proceso puede ser incluso mayor que comprar un nuevo componente entero. En el caso de las tarjetas gráficas, es más complicado porque los fabricantes no van a disponer de chips sueltos para sustitución, a no ser que sea en los propios talleres. Esta es la única forma en la que se puede reparar cuando las conexiones del chip al PCB han sido dañadas.
  • Reflow: el refundido de las bolas de estaño de la conexión BGA de los sustratos del PCB a la placa. Meidante una máquina se funden y se vuelven a formar las bolas de contacto. Se corre el peligro de dañar las bolas que hacen conexión entre el chip principal y el PCB, que las bolas resultantes sean ligeramente más pequeñas y que no se haga contacto, o que se junten bolas en una más grande.
  • Reballing: la sustitución de las bolas de contacto de los sustratos del PCB con la placa. Por su propia naturaleza, no es fácil hacerlo con la unión del chip al PCB. Esta solución sí funciona cuando bolas de contacto se han dañado mediante oxidación o un proceso de reflow.

Como ves, cada uno de estos procesos tiene sus ventajes, y a la vez sus inconvenientes, y se usan para reparar un fallo en concreto. Antes de elegir, hay que hacerle un diagnóstico al dispositivo, para así saber bien cual de estas soluciones elegir.

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Benjamín Rosa

Madrileño cuya andadura editorial empezó en 2009. Me encanta investigar curiosidades que después os traigo a vosotros, lectores, en artículos. Estudié fotografía, habilidad que utilizo para crear fotomontajes humorísticos.

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