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Maquina casera para extracción/inserción de BGA ("Reballing")
Estimados lectores, he aquí un proyecto para construir a partir de materiales reciclados, una máquina para la extracción, "reboleado" y nueva inserción de BGA (Ball Grid Array), presentes en diversos aparatos electrónicos como móviles, ordenadores, videoconsolas, etc. y que son responsables de generar muchos fallos cuando son sometidos a elevadas temperaturas, durante periodos prolongados de tiempo. Este proyecto está basado en la idea original de PUMA-SPY y COMPUPASION (QEPD). Además, utiliza para su control el software desarrollado por DMINGO (usuarios de los foros: Reballing.es)
Las actuales leyes medioambientales regulan el uso de diferentes materiales contaminantes (entre ellos el plomo) y si estos BGA han sido "pegados" a las placas que los soportan con soldadura "lead free" (aleación de estaño sin plomo), aunque en teoría el punto de fusión de la aleación de estaño sin plomo es más elevado, -y eso lo haría más resistente-, el periodo de duración o degradación del mismo es más corto y esa consecuencia se ve reflejada en el actual incremento de las fallas producidas por desprendimiento de BGA en muchos aparatos.
Cabe acotar que por sí solo el uso de soldadura "lead free" no es el causante de estos fallos, ya que existen otros factores importantes a tomar en cuenta como son el diseño de un adecuado sistema de disipación de las fuentes de calor, el grosor de la placa base, la calidad de los materiales usados en la placa para asimilar los fenómenos de contracción y dilatación por los cambios de temperatura, etc.. La práctica de esta técnica de "reboleo" ó "reballing (Ingles)", ha de realizarse con maquinaria de elevado coste. Sin embargo, muchos técnicos y aficionados hemos realizado con éxito esta tarea de "reballing" en "maquinas caseras", construidas con materiales disponibles en nuestro entorno.
Este es mi proyecto y su desarrollo.
Una máquina de rework para BGA (Reballing), básicamente consiste en dos fuentes de calor (una inferior llamada “pre-calentador” y otra superior llamada “top-heater” o calentador superior) que están gobernadas por elementos de medición y control (sensores de temperatura, PID u ordenadores) dispuestos y programados para elevar la temperatura del componente BGA que permita la fusión de la aleación de estaño que lo mantiene “unido” (soldado) a la placa de circuito impreso (PCB) sin dañarlo y sin afectar a los demás componentes del PCB.
Para este “rework” (re-trabajo), es necesario que el PCB sea “calentado” por el pre-calentador, incrementalmente hasta alcanzar una temperatura alrededor de los 150º y mantenerla, mientras que se activa el “calentador superior” focalizado en el componente BGA a extraer/insertar para elevar su temperatura hasta el punto de fusión de la aleación de soldadura que tenga (estaño-plomo 183ºc , estaño-cobre 227ºc, estaño-plata 221ºc, estaño-plata-cobre 217ºc, etc.)
Las fuentes de calor usadas comúnmente son; resistencias calefactoras de cuarzo ó cerámica, lámpara de calor (IR, halógenas, dicroicas) y convección de aire. Sobre el diseño y disposición de los elementos calefactores, mayoritariamente se emplea una amplia base pre-calentadora y un calentador superior focalizado.
Para la medición de la temperatura se emplea termocupla o termopar, que consiste en dos cables de metales distintos, conectados en un extremo donde se produce un pequeño voltaje asociado a una temperatura. Estas termocuplas o termopares van conectados a la electrónica necesaria para amplificar, compensar y convertir a digital el voltaje generado.
El software de control se encarga de activar/desactivar los elementos calefactores y de propulsión de aire para mantener la temperatura deseada en todas las fases del proceso.
(Editado 06112012) Realizando pruebas para ver el funcionamiento del pre-calentador me doy cuenta de que el mismo no es eficiente y por lo tanto necesita de una modificación
La huella térmica es muy desigual y por lo tanto hay que agregar más "lámparas de infrarrojos" , acercándolas un poco mas (…yo agregue dos mas y ha mejorado notablemente).
Editado: Al ser solo cuatro lámparas de cuarzo de 400 W c/u y para aprovechar toda la potencia del pre-calentador cambie la conexión a solo "paralelo". Sin embargo, hay que ser cuidadoso y no exceder el consumo para no tener problemas, ya que la etapa de potencia del "pre" esta calculada para un consumo de 10A (máx.).
W=V * I ; I(amperios)=W(vatios)/V(voltios) …entonces W= 220V*10A , W=2200 (máx.)
En caso de usar una cantidad de lámparas cuyo valor nominal sobrepase el consumo, se debe implementar un "regulador de intensidad (Dimmer)" y con la ayuda del amperímetro ajustar la intensidad por encima del valor mínimo requerido por el pre-calentador.
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Modulo electrónico y software de control
El modulo electrónico se divide en:
Placa Arduino; Es una placa con un micro-controlador y un entorno de desarrollo llamado IDE Arduino (IDE: siglas del término inglés Integrated Development Environment ), está concebida como una plataforma de hardware libre diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos de distinta índole, pueden comprarse o hacerse en casa, por ello están disponible los archivos para fabricarlas o modificarlas a conveniencia, el software puede ser descargado gratuitamente. Para este proyecto va inter-conexionada con la placa de potencia, placa de termocuplas y placa de control de turbina de aire.
Placa de potencia; encargada de suministrar la corriente necesaria a los elementos calefactores. Se destaca la utilización de Triacs como interruptores y optoacopladores como gestores entre la placa de potencia y la placa Arduino
Placa de termocuplas; Contiene los CI MAX6675 (convertidor analógico/digital para termopares tipo K) a la cual se conectan los sensores de temperatura.
Placa de Control de turbina de aire: Gestiona la alimentación del motor de aire y al mismo tiempo lo aísla galvánicamente (separación de puntos de masa que protegen a aparatos electrónicos conectados entre sí, de descargas que puedan dañarlos).
Placa Dimmer (Necesaria en caso de que el diseño del pre-calentador exceda los 2200W de potencia); Sirve para ajustar/limitar la potencia del pre-calentador.
A continuación, las placas que controlan el sistema (Placa de power y placa de control de los termopares/termocuplas)
La placa Arduino que utilice para este proyecto, fue la vinciDuino, que es una excelente opción a bajo coste. Puedes ver la entrada que he realizado referente al montaje de la misma en "vinciDuino, cumple las expectativas". Sin embargo, se puede usar cualquier placa Arduino que tenga las características similares para que los pines de asignación presentes en el "sketch" o programa diseñado para el control de la maquina no necesiten ser modificados.
(Editado 06112012)
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(Editado 14/11/2012)
En los siguiente enlaces están los archivos correspondientes al diseño de las placas de potencia, control de termocuplas y dimmer(*), así como el software encargado de su control que se compone de un "sketch" a cargar en la placa arduino y un ejecutable para ser ejecutado en Windows. Este trabajo pertenece al usuario Dmingo (www.reballing-es)
NOTA: Están elaborados con el software de diseño CadSoft EAGLE. Una vez abierto los archivos se puede ver con detalle la lista y distribución de todos los componentes.
http://www.4shared.com/rar/CTJBQqjB/esquemas_arduino_Rework.html
Para el control del motor de aire:
Nota: Esta elaborado con PCB Wizard
http://www.4shared.com/rar/UGC27Qx9/placa_control_motor.html
Para quienes no estén familiarizados con los diagramas eléctricos /electrónicos dejo la siguiente imagen a fin de poder ordenar un poco las ideas.
Guía visual de conexión
Software de Control:
.- Entorno de desarrollo de Arduino, conocido como IDE Arduino: Descarga desde su pagina oficial
.- Librerías del control proporcional, integral, derivativo (PID) (Creadas por Brett Beauregard ) PID_V1 .h (Arduino)
.- Librerías para leer la temperatura de los IC MAX6675 a través de Arduino (Creadas por Ryan McLaughlin <[email protected]>) Librerías MAX6675 (Arduino)
Nota: A partir de la versión 1.0 del IDE Arduino se cambiaron las librerías "Wprogram.h" por "Arduino.h"
.- Software Arduino Rework 2.0 (desarrollado por Dmingo), incluye el "sketch" para cargar en Arduino y la aplicación para ser ejecutada bajo el sistema operativo Windows
http://www.4shared.com/rar/dFCgR0Wz/Arduino_Rework_2_0.html
Una vez interconectadas todas las placas, también hay que conectar la placa Arduino al PC a través del puerto USB, cargar el “sketch” (programa) en la placa a través del IDE Arduino (entorno de desarrollo de Arduino) y posteriormente ejecutar el programa de control (.exe) desde Windows. Una vez ejecutado el programa de control tenemos acceso al panel de configuración y panel principal, con opciones de activación y parada de ambos elementos calefactores, test, inicio y parada del proceso, control para la velocidad del motor de aire, etc. Asimismo, tenemos en pantalla la temperatura registrada por ambas termocuplas y si hemos activado un perfil para un proceso de rework, también nos muestra la curva a seguir en todas las fases del proceso con indicación del tiempo. En el proceso de Rework también tenemos mensajes de voz que nos indica el inicio de cada fase.
A continuación, las pruebas del modulo electrónico y su ubicación dentro del precalentador
Aquí podéis ver la base de sujeción "antipandeo", la tobera (nozzle) y las pruebas iniciales de funcionamiento.
Aquí un vídeo de su funcionamiento
NOTA:
Posteriormente a su puesta en funcionamiento he realizado algunas modificaciones. El precalentador es de ocho barras de cuarzo y puedo seleccionar en el frontal para usar solo tres, seis u ocho barras, dependiendo del tamaño de la placa a trabajar. He sustituido la placa de potencia por relés de estado solido (SSR), he agregado una salida para el uso del "mini-horno de reflow", así como un selector en el frontal que permite elegir entre "pre-calentador" y "horno" , también agregue pilotos indicadores que se activan/desactivan con los relés (SSR)
Haz "clic" en las imágenes (Enlaces hacia YouTube)
Aquí otra máquina ya en funcionamiento, fabricada por el usuario "From2" que amablemente ha compartido algunas fotos.
