Reflow BGA sur MacBook Air

11/02/2019

Le 1er juillet 2006, les fabricants d’électronique en tout genre ont perdu la possibilité de réaliser les soudures composées de plomb. L’Union européenne a imposé que la concentration en plomb ne dépasse pas 0,1 %. (Le plomb avait l’avantage d’abaisser considérablement le point de fusion de la soudure à l’étain qui était jusqu’alors utilisée dans la majorité des composants électroniques.)

Du jour au lendemain, les constructeurs ont dû revoir leurs procédés de fabrication pour se conformer à cette exigence lourde de conséquences. Le coût de production augmentera, il faudra davantage d’énergie pour parvenir à des températures de fusion plus hautes, et aussi plus de temps. Les machines ne seront pas forcément au point, et pourtant les produits seront bien distribués et une bonne partie d’entre eux deviendront bientôt inutilisables.

C’est le cas le PS3 et de la Xbox 360, deux consoles bien connues. Elles auront subi ces dernières années des pannes intempestives avec un coût de réparation exorbitant pour un problème, somme toute, assez basique.

Les soudures BGA sont principalement touchées par ces changements. Mais qu’est-ce que la soudure BGA ?

BGA pour ball grid array ou encore ‹ matrice à billes › en français. Un composant, tel un processeur ou tout autre élément de calcul et de stockage, peut comporter un nombre très important d’entrées et de sorties. Les semi-conducteurs, avec une taille toujours plus petite, ne permettent plus d’étaler tous les pins (c’est-à-dire les entrées et sorties) autour du composant. Les pins sont alors placés en dessous, et le composant fait bien partie de la grande famille des CMS*. Il n’est plus possible d’accéder physiquement aux pins situés sous les composants qui sont alors vendus avec des billes d’étain collées pour faciliter la soudure.

* Composants montés en surface, à l’instar des composants traversants qui nécessitent des trous de part et d’autre du PCB pour être soudés.
Verso d’un composant vendu dans le commerce avec les billes d’étain déjà collées (environ 2 cm × 2 cm)
Verso d’un composant vendu dans le commerce avec les billes d’étain déjà collées (environ 2 cm × 2 cm).
On positionne le composant au bon emplacement, et il suffit de l’échauffer pour que la fusion opère et lie le composant définitivement à la carte : le contact électrique est créé.
Machine qui positionne un composant (noir) sur les pads correspondants (en cuivre jaune)
Machine qui positionne un composant (noir) sur les pads correspondants (en cuivre jaune).
L’échauffement doit suivre une courbe précise pour ne pas endommager le semi-conducteur et pour s’assurer que la prise soit bonne ; si tous les contacts ne sont pas parfaits, la soudure est ratée et le composant ne fonctionne pas. Quelques-uns n’acceptant pas non plus certaines contraintes de température, il vaut mieux se renseigner ; on trouve ce genre d’informations dans toute bonne datasheet. Le chauffage peut se faire au four simultanément pour tous les composants d’une carte, ou localement (un seul composant) avec un canon à air chaud, par exemple.

Ces soudures sont parfois l’objet de lourdes épreuves : courants très grands et qui évoluent très vite, température du semi-conducteur élevée, etc. La présence de plomb donnait à la soudure une certaine élasticité lui permettant d’assurer le contact électrique et de mieux résister dans le temps. La suppression du plomb, à laquelle s’ajoute la mauvaise adaptation des procédés des fabricants, a conduit à ces soudures fragiles dont même de grands appareils n’ont pas été épargnés.
Soudure BGA brisées, vue de coté
Soudure BGA brisées, vue de coté.
J’ai eu la mauvaise chance d’avoir le problème sur mon Macbook Air, le modèle A1466 bien connu du fabricant à la pomme et sorti fin 2012. Du jour au lendemain, le Mac ne démarrait plus. Il annonçait 3 bips au démarrage avant l’écran noir, synonyme d’un problème de RAM. La mémoire vive, la RAM, est composée de 12 composants soudés en BGA

Plusieurs solutions existent, la plus radicale serait d’enlever lesdits composants et de refaire complètement la soudure. On comprend facilement qu’il faudra “re-baller” ceux-ci pour les ressouder ensuite. Cette opération est délicate et demande du matériel spécifique ainsi qu’une bonne expérience en micro-soudure.

Une solution temporaire consiste à faire un reflow. L’idée est d’échauffer le composant selon la courbe ci-dessous pour que la bille d’étain fonde à nouveau et rétablisse le contact électrique. Cette opération est assez simple puisqu’il suffit d’un peu de flux et d’une station à air chaud (“hot gun”).
Évolution de la température selon le temps pour une refusion de soudure de type BGA
Évolution de la température selon le temps pour une refusion de soudure de type BGA.
Le flux, disponible sous forme de seringue, est une pâte que l’on ajoute à la soudure, permettant d’abaisser le point de fusion (faiblement) et de faciliter le positionnement de l’étain par capillarité. En d’autres mots, cela sert principalement à éviter que deux billes se soudent l’une à l’autre et créent un court-circuit.
Flux de soudure
Flux de soudure.
Sur internet, on trouve toutes sortes de vidéos où les professionnels montrent cette dernière manipulation. C’est le cas de Louis Rossmann, célèbre youtubeur qui répare des Mac dans un état lamentable ; je vous conseille sa chaîne vidéo. J’ai suivi les quelques consignes comme on peut les voir dans la vidéo.


Verdict quelques mois après : la réparation a fonctionné mais n’était que temporaire. Ma soudure n’a pas tenu, et le problème est rapidement revenu. J’ai tenté de refaire la manipulation, mais sans résultat. Ce Macbook Air est bon pour la poubelle en si peu de temps et pour un problème si élémentaire… Je vous laisse imaginer ma frustration !
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