Как перепаять bga микросхему
В ремонтах телефонов бывает очень много различных поломок, связанных именно с микросхемами. Эти BGA микросхемы могут отвечать за какие-либо определенные функции в телефоне. Например, одна микросхема может отвечать за питание, другая — за блютуз, третья — за сеть и тд.
Иногда, при падении телефона, шарики микросхемы BGA отходят от платы телефона и у нас получается, что цепь разорвана, следовательно — телефон теряет некоторые функции. Для того, чтобы поправить это дело, ремонтники или прогревают микросхему, чтобы припойный шарик расплавился и опять «схватился» с контактной площадкой на плате телефона или полностью демонтируют микросхему и «накатывают» новые шарики с помощью трафарета.
Подопытным кроликом у нас будет плата мобильного телефона.
Для того, чтобы легче было отпаивать «вот эти черные квадратики» на плате, мы воспользуемся инфракрасным преднагревателем или в народе «нижним подогревом». Ставим на нем температуру 200 градусов по Цельсию и идем пить чай. После 5-7 минут приступаем парировать нашего пациента.
Остановимся на BGA микросхеме, которая попроще.
Теперь нам надо подготовить инструменты и химию для пайки. Нам никак не обойтись без трафаретов для различных BGA микросхем. Те, кто серьезно занимается ремонтами телефонов и компьютерной техники, знают, насколько это важная вещь. На фото ниже предоставлен весь набор трафаретов для мастера по ремонту мобильных телефонов.
Трафареты используются для «накатывания» новых шаров на подготовленные BGA микросхемы. Есть универсальные трафареты, то есть под любые BGA микросхемы. А есть также и специализированные трафареты под каждую микросхему. В самом верху на фото мы видим специализированные трафареты.
[quads id=1]
Для того, чтобы сделать реболлинг BGA микросхемы, нам нужны также вот такие простые инструменты и расходные материалы:
Здесь всем вам знакомый Flux-off. Подробнее про него и другую химию можно прочесть в статье Химия для электронщика. Flus Plus, паяльная паста Solder Plus (серая масса в шприце с синим колпачком) считается самой лучшей паяльной пастой в отличие от других паст.
Шарики с ней получаются как заводские. Цена на такую пасту дорогая, но она того стоит. Ну, и конечно, среди всего прочего барахла есть также ценники (покупайте, чтобы они были очень липкие) и простая зубная щетка. Все эти инструменты нам понадобятся, чтобы сделать реболлинг простой BGA микросхеме.
Для того, чтобы не спалить элементы, расположенные рядом, мы их закроем термоскотчем.
Смазываем обильно микросхему по периметру флюсом FlusPlus
И начинаем прогревать феном по всей площади нашу BGA
Вот здесь и наступает самый ответственный момент при отпаивании такой микросхемы. Старайтесь греть на воздушном потоке чуть меньше среднего значения. Температуру повышайте буквально по пару градусов. Не отпаивается? Добавьте немного жару, и главное НЕ ТОРОПИТЕСЬ! Минута, две, три… не отпаивается… добавляем жару.
Некоторые ремонтники любят трепаться «хахаха, я отпаиваю BGАшку за считанные секунды!». Отпаивают то они отпаивают, но при этом не понимают, какой стресс получает отпаиваемый элемент и печатная плата, не говоря уже о близлежащих элементах. Повторю еще раз, НЕ ТОРОПИТЕСЬ, ТРЕНИРУЙТЕСЬ НА ТРУПАХ.
НЕ ТОРОПИТЕСЬ срывать не отпаянную микросхему, это вам выйдет боком, потому как оборвете все пятаки под микросхемой! Пользуйтесь специальными устройствами для поднятия микросхем. Их я находил на Али по этой ссылке.
И вот мы греем феном нашу микросхему
и заодно проверяем ее с помощью экстрактора для микросхем. Про него я писал еще в этой статье.
Готовая к поднятию микросхема должна «плавать» на расплавленных шариках, ну скажем… как кусочек мяса на холодце. Притрагиваемся легонько к микросхеме. Если она двигается и опять становится на свое место, то аккуратненько ее поднимаем с помощью усиков (на фото выше)
В настоящее время существуют также вакуумные пинцеты для микросхем такого рода. Есть ручные вакуумные пинцеты, принцип действия у которых такой же, как и у Оловоотсоса
а есть также и электрические
У меня был ручной пинцет. Честно говоря, та еще какашка. Закоренелые ремонтники используют электрический вакуумник. Стоит только приблизить такой пинцет к микросхеме BGA, которая уже «плавает» на расплавленных шариках припоя, как он тут же ее подхватывает своей липучкой.
По отзывам, электрический вакуумный пинцет очень удобен, но мне все-таки не довелось его использовать. Короче говоря, если надумаете, то берите электрический.
Но, вернемся все-таки к нашей микросхеме. Крохотным толчком я убеждаюсь, что шарики действительно расплавились, и плавным движением вверх переворачиваю BGA микросхему. Если рядом много элементов, то идеально было бы использовать вакуумный электрический пинцет или пинцет с загнутыми губками.
Ура, мы сделали это! Теперь будем тренироваться запаивать ее обратно :-).
Вот и начинается самый сложный процесс — процесс накатывания шариков и запаивания микросхемы обратно. Если вы не забыли — это называется перекаткой. Для этого мы должны подготовить место на печатной плате. Убрать оттуда весь припой, что там остался. Смазываем все это дело флюсом:
и начинаем убирать оттуда весь припой с помощью старой доброй медной оплетки. Я бы посоветовал марку Goot wick. Эта медная оплетка себя очень хорошо зарекомендовала.
Если расстояние между шариками очень малое, то используют медную оплетку. Если расстояние большое, то некоторые ремонтники не прибегают к медной оплетке, а берут жирную каплю припоя и с помощью этой капельки собирают весь припой с пятачков. Процесс снятия припоя с пятачков BGA — очень тонкий процесс.
[quads id=1]
Дальше прыскаем туда Flux-off, чтобы очистить от нагара и лишнего флюса наше место под микросхему
и зашкуриваем с помощью простой зубной щетки, а еще лучше ватной палочкой, смоченной в Flux-Off.
Получилось как то так:
Если присмотреться, то видно, что некоторые пятачки я все таки оборвал (внизу микросхемы черные круги, вместо оловянных) Но! Не стоит расстраиваться, они, как говорится, холостые. То есть они не никак электрически не связаны с платой телефона и делаются просто для надежности крепления микросхемы.
[quads id=1]
Далее берем нашу BGAшку и убираем все лишние припойные шарики. В результате она должны выглядеть вот так:
И вот начинается самое интересный и сложный процесс — накатывание шаров на микросхему BGA. Кладем подготовленную микросхему на ценник:
Находим трафарет с таким же шагом шаров и закрепляем с помощью ценника микросхему снизу трафарета. Втираем в отверстия трафарета с помощью пальца паяльную пасту Solder Plus. Должно получиться как-то вот так:
Держим с помощью пинцета одной рукой пинцет, а в другой фен и начинаем жарить на температуре примерно 320 градусов на очень маленьком потоке всю площадь, где мы втирали пасту. У меня не получилось сразу в двух руках держать и фотоаппарат и фен и пинцет, поэтому фотографий получилось маловато.
Снимаем готовую микросхему с трафарета и смазываем чуть флюсом. Далее пригреваем феном до расплавления шаров. Это нам нужно, чтобы шарики ровнёхонько стали на свои места.
Смотрим, что у нас получилось в результате:
Блин, чуточку коряво. Одни шарики чуть больше, другие чуть меньше. Но все равно, это нисколько не помешает при запайке этой микросхемы обратно на плату.
Чуточку смазываем пятаки флюсом и ставим микросхему на родное место. Выравниваем края микросхемы с двух сторон по меткам. На фото ниже только одна метка. Другая метка напротив нее по диагонали.
И на очень маленьком воздушном потоке фена с температурой 350-360 градусов запаиваем нашу микрушку. При правильной запайке она должна сама нормально сесть по меткам, даже если мы чуток перекосили.
Методы нанесения материалов на печатную плату для поверхностного монтажа
Существует пять основных методов нанесения клеев, флюсов и паяльных паст на печатную плату.
- Нанесение (перенос) материалов с помощью стержней.
- Дозирование материалов с помощью пульсационного нагнетательного насоса-дозатора.
- Дозирование материалов с помощью винтового насоса.
- Дозирование материалов с помощью поршневого насоса.
Использование последних трех методов нанесения материалов (флюсов, клеев, припоев) на печатную плату с применением систем дозирования реагентов позволяют нанести по одной точке соответствующего материала за один раз. Первые же два способа (метод стержней и трафаретная печать) позволяют наносить материалы сразу в нескольких местах за один шаг. Соответственно каждый из пяти представленных методов нанесения материалов на печатную плату работает по-своему, имеет свои достоинства и недостатки.
Метод стержней – самый простой способ нанесения клея или флюса на печатную плату. Несмотря на то, что один стержень может быть использован для нанесения клея (или паяльного флюса) только в одном месте за один раз, для нанесения материала в нескольких местах можно использовать матрицу стержней. Основные этапы работы оборудования для нанесения клея, работающего по методу стержней, представлены на рисунке 1.
Как и было отмечено ранее, данный метод в основном используют для нанесения клеев и флюсов, однако он плохо подходит для нанесения паяльной пасты. Стержень погружают в резервуар с материалом, который будет наноситься на печатную плату. Длина и диаметр стержня определяют количество материала, набранного в резервуаре. Затем стержень опускают на печатную плату в том месте, где нужно нанести точку клея или флюса. Поверхностное натяжение заставляет часть клея или флюса стечь на плату. В этот момент важно, чтобы стержень не касался платы, поскольку это нарушит форму точки материала. Для этого метода нанесения нужна относительно плоская и ровная подложка. Использование матрицы стержней позволяет наносить клей на печатные платы даже после установки компонентов в сквозные отверстия.
Аналогичный принцип используется для нанесения флюса на шарики припоя DCA/FC-корпусов. Кристалл погружают в ванну с тонкой пленкой флюса. Глубина флюса позволяет смачиваться только шарикам припоя, таким образом, шарики становятся стержнями, которые переносят капли флюса. Флюс на шариках припоя переносится на печатную плату, где фиксируют шарики, и выполняет функции флюса во время последующей пайки оплавлением.
Важной проблемой метода нанесения материалов (клеев и флюсов) с помощью метода стержней является использование открытых ванн с клеем или флюсом. Клеи легко впитывают влагу из воздуха. У флюсов легко испаряется носитель (вода или спирт) и, возможно, другие компоненты. Любой из этих процессов приводит к изменению свойств материала, что влияет на количество жидкости на стержне и размер точки на печатной плате (включая процесс смачивания шариков припоя перевернутого кристалла, описанный выше). Клеи должны обладать достаточной «прочностью жидкости», а флюсы – удерживать компонент на месте в течение всего срока размещения компонента на печатной плате и последующего транспортирования печатной платы в печь для отверждения клея или оплавления припоя.
Технология трафаретной печати
Трафаретная печать может использоваться для клеев, а также паяльной пасты. Низкая вязкость большинства флюсов препятствует их успешному нанесению этим методом. Метод трафаретного нанесения материалов на печатную плату основан на том, что клей или паяльная паста наносятся через отверстия в трафарете, которые называются апертурами. Апертуры трафарета расположены над теми местами печатной платы, на которые требуется нанести клей или паяльную пасту. Нанесение материала осуществляется ракелем, который во время прохода над трафаретом продавливает некоторое количество клея или паяльную пасты в его апертуры, как это показано на рисунке 2.
На рисунке 2 также показано различие между трафаретами с частично закрытыми (сетчатыми) и открытыми апертурами. Конструкции обоих типов определяют специфику и области применения обоих устройств в технологии трафаретной печати. Трафарет с частично закрытыми апертурами состоит из двух слоев: слоя эмульсии и пленки, которая удерживает эмульсию. Апертуры, через которые клей или паяльная паста наносятся на плату, создаются путем фотохимического фрезерования. Клей или паяльная паста просто протекают сквозь сетку, которой закрыты апертуры.
Трафарет с открытыми апертурами представляет собой лист металла или сплава (обычно из молибдена, никеля, латуни или нержавеющей стали), в котором проделаны отверстия. Апертуры могут быть получены с помощью одной из следующих технологий или их комбинации:
- фототехнологии (метод фотохимического фрезерования);
Выбор технологии изготовления зависит от требуемых размеров и плотности расположения апертур. Трафареты с частично закрытыми апертурами в большинстве случаев заменили трафареты с полностью открытыми апертурами не только из-за простой конструкции, но и потому, что их можно приспособить к печати материалов на платах с высокой плотностью мелких компонентов.
От толщины трафаретов и размера отдельных апертур зависит количество клея или паяльной пасты, нанесенной на печатную плату . Вторичными факторами, определяющими качество трафаретной печати, являются качество стенок апертуры, вязкость материала, твердость и скорость ракеля. В случае с паяльной пастой, ее количество, фактически нанесенное на печатную плату, обычно меньше объема апертуры, который рассчитывают как произведение длины, ширины апертуры и толщины трафарета. Степень этого несоответствия называется фактором переноса или коэффициентом переноса. Значения данного коэффициента могут варьироваться от 60% для очень маленьких апертур до почти 100 % для больших апертур.
Трафаретная печать является наиболее широко используемым средством для нанесения паяльной пасты при поверхностном монтаже печатных плат. Для трафаретной печати через сетчатый трафарет (80 отверстий на кв. дюйм) предпочтительно выбирать паяльную пасту с вязкостью от 250 до 550 кспз (килосентипуазов). В случае трафаретной печати через трафарет с полностью открытыми отверстиями нужна паста с вязкостью 400-800 кспз. Для высоких объемов электронного монтажа на одну печатную плату необходимо нанести несколько десятков тысяч точек паяльной пасты. Этот процесс в настоящее время разрабатывается для печати в отверстия и PIP-технологии.
Трафаретную печать паяльной пасты также осуществляют с использованием ступенчатых трафаретов. Такие трафареты изготавливают двух типоразмеров с различной толщиной, их используют, когда на печатной плате нужно установить настолько широкий диапазон устройств разнообразных конфигураций с различным шагом, что с помощью одного трафарета невозможно нанести все необходимые точки паяльной пасты. При нанесении паяльной пасты для устройств с малым шагом используют тонкие секции трафарета, а для компонентов с большим шагом — толстые. Эти трафареты дороже в изготовлении, чем трафареты одной толщины.
Трафаретная печать клея или паяльной пасты имеет ряд недостатков.
- Во-вторых, технология трафаретной печати подразумевает, что поверхность печатной платы должна быть плоской и не иметь неровностей, которые могут помешать плотному наложению трафарета на ее поверхность, поскольку паста или клей будут продавливаться ракелем в апертуры. Таким же образом необходимо очищать трафарет от остатков паяльной пасты перед последующим использованием в целях сведения к минимуму дефектов трафаретной печати, которые могут впоследствии привести к дефектам паянных соединений, если не будут обнаружены перед процессом пайки оплавлением припоя.
- В-третьих, трафареты изнашиваются с течением времени, в результате увеличивается число дефектов печати. Чем прочнее металл или сплав трафарета, тем дольше срок его эксплуатации. Например, латунные трафареты, которые относительно дешевы, имеют короткий срок службы Трафареты из нержавеющей стали имеют более длительный срок службы но они значительно дороже.
При печати через трафареты с открытыми апертурами для монтажа компонентов с периферийными и матричными выводами и шагом более 0,5 мм бессвинцовые припойные пасты демонстрируют те же свойства, что и оловянно-свинцовые. При меньших шагах и соответственно меньших размерах апертур коэффициент переноса бессвинцовых паст несколько снижается. Вероятной причиной является сниженная плотность частиц бессвинцовых сплавов, поэтому их меньшее количество проходит через апертуры трафарета. Следовательно, нужно слегка увеличить размер апертур, чтобы нанести количество бессвинцовой пасты, необходимое для получения паянного соединения.
Пульсационный нагнетательный насос-дозатор относится к системам дозирования реагентов для нанесения на печатную плату и позволяет наносить пасту с помощью приложения к резервуару с материалом импульса давления в течение определенного времени (рисунок 3). Из сопла насоса выбранного диаметра выдавливается точно контролируемое (дозируемое) количество клея или паяльной пасты и наносится на плату. Часто материал поставляется уже расфасованным в шприцы, которые вставляют в монтажный автомат.
Как и в случае остальных технологий нанесения материалов, свойства клея или паяльной пасты играют важную роль и определяют постоянство размеров точек на различных местах. При эксплуатации насоса-дозатора следует строго придерживаться требований к сроку годности материалов, особенно тех, что находятся внутри дозатора из-за их быстрого разложения на открытом воздухе в условиях сборочного цеха. Желаемая вязкость материалов для нанесения через сопло насоса составляет от 100 до 400 кспз.
Автоматы с установленными поршневыми насосами-дозаторами способны наносить материалы на одной печатной плате в виде точек различного размера. Один из методов использования насоса-дозатора заключается в установке на одну головку сопел или шприцев различного размера и приложении одинакового импульса давления. Второй подход заключается в предварительном программировании времени и силы давления в насосе-дозаторе, чтобы получить точки материала различного размера из одного и того же сопла или шприца. Эта технология с использованием насоса-дозатора занимает гораздо больше времени, чем трафаретная печать. Тем не менее, она обеспечивает большую гибкость с точки зрения строгого контроля количества и расположения точек клея или паяльной пасты.
В винтовом насосе для нанесения паяльной пасты или клея использован архимедов винт, который через сопло выталкивает определенную порцию материала (рисунок 4). Скорость и продолжительность поворота винта, а также размер отверстия, определяют количество клея или пасты, нанесенной на печатную плату. Как и в случае поршневого насоса-дозатора, с помощью различных шпинделей (головок) или компьютерных программ, изменяющих скорость вращения винта или продолжительность его поворота, можно изменять объем точек материала, наносимых через сопло с отверстием одного размера. Все остальные соображения относительно подбора вязкости клея или паяльной пасты и их срок годности также следует учитывать при использовании данного насоса.
В поршневом насосе для контроля количества наносимого клея используется движение поршня, а не импульс давления воздуха. Этот метод применяется в основном для нанесения клея (рисунок 5) Во-первых, сопло погружают в ванну с клеем, из которой насос всасывает постоянное количество клея. Оно заполняет отверстие и небольшой цилиндр в верхней части отверстия. Для этого метода лучше использовать жидкости с низкой вязкостью. Сравнительно трудно набрать в насос очень вязкие жидкости, такие как припойная паста и некоторые клеи. Далее поршень движется вниз в цилиндре, выдавливая точное количество клея из сопла на печатную плату. При использовании этого метода на печатную плату выдавливается постоянный объем материала. Кроме того, размеры цилиндра, скорость, с которой перемещается поршень, а также вязкость клея сильно влияют на объем клеевой точки. Необходимо также использовать материалы в соответствии с их сроком годности.
Основная цель каждой из пяти технологий нанесения материала — нанесение строго определенного и постоянного количества клея или паяльной пасты на каждом заданном участке печатной платы. Слишком малая клеевая точка, особенно по высоте, не сможет закрепить компонент на печатной плате. Слишком большое количество клея растечется по контактной площадке и нарушит качество пайки. Из-за недостаточного количества пасты станет невозможным получение качественного паянного соединения, а в худшем случае может произойти обрыв цепи. Избыток паяльной пасты связан с образованием галтелей, которые трудно обнаружить после пайки, а также с вероятностью коротких замыканий между соседними межсоединениями.
Нанесение пасты и пайка
Наносим паяльную пасту равномерно по всей площади.
На контактах микросхемы должно быть достаточно пасты, без дефицита и без перебора.
На контактах микросхемы должно быть достаточно пасты, без дефицита и без перебора.
Круговыми движениями прогреваем трафарет сначала до 100 °C. Плавно повышаем температуру и одного края медленно нагреваем до 200 — 250 °C. Постепенно паста начнет превращаться в припой.
Чистим трафарет изопропанолом, чтобы разбавить флюс. Снова нагреваем трафарет до 100 °C в течении 20 секунд.
Чистим трафарет изопропанолом, чтобы разбавить флюс. Снова нагреваем трафарет до 100 °C в течении 20 секунд.
При помощи лезвия аккуратно поддеваем трафарет без резких движений со всех сторон и он сам отлипнет от южного моста (микросхемы).
Чистим микросхему от ненужных шариков и флюса. Теперь осталось подравнять шарики. Наносим флюс каплями по всей площади.
Нагреваем микросхему и шарики начинают равномерно распределяться на своих местах. После этого снова чистим микросхему от флюса.
Крепим трафарет к микросхеме и проверяем качество и наличие шариков.
Крепим трафарет к микросхеме и проверяем качество и наличие шариков.
Результат пайки.
Паяльные пасты: все о главном. часть 1
Рис. 2. Состав паяльных паст
Часто говорят: безотмывочные пасты не должны содержать галогенов. Надо четко уяснить, что если в документации на пасту указано «Требует отмывки», то мыть надо обязательно, а если такой маркировки нет, то вопрос решается исходя из дополнительных требований к изделию: внешний вид, нанесение лака.
В Японии, например, галогенсодержащие пасты (0,2%) в процессах без отмывки после пайки гораздо популярнее безгалогенных. Галогенсодержащие паяльные пасты сравнительно более технологичны, например, по паяемости, но часто уступают безгалогенным пастам по надежности, что проявляется в снижении сопротивления изоляции готового монтажа.
В идеале, для пайки без отмывки нужна паста без галогенов, но с паяемостью, как у галогенсодержащей пасты.
Трудность заключается в повышении химической активности безгалогенных безотмывочных паст. В большинстве таких паст в качестве активатора вместо галогенсодержащих соединений используются органические кислоты, причем чем меньше молекулярный вес кислоты, тем больше способность активации.
Рис. 3. Основные характеристики, учитываемые при разработке или выборе паяльных паст
Вместе с тем такие высокоактивные органические кислоты поглощают влагу. Это чревато: оставшаяся в остатках флюса на поверхности подложки кислота при взаимодействии с водой ионизируется, что уменьшает поверхностное сопротивление изоляции и ведет к электромиграции.
В системах активации в паяльных пастах (здесь автор опирается на технические данные по пастам
)используются менее гигроскопичные органические кислоты и специально разработанный безионный активатор. Эта специальная система не диссоциирует на ионы, ее электрические свойства стабильны, а активирующая способность не уступает галогенам. Благодаря высокой температуре активации, безионный активатор в сочетании с тщательно подобранными органическими кислотами делает активацию на стадии оплавления более длительной. В результате паяемость улучшается не в ущерб надежности.
Вот примеры популярных типов паст:
- паяльная паста для высокоскоростной печати;
- паяльная паста с высокой смачивающей способностью;
- паяльная паста для автоматического внутрисхемного тестирования;
- универсальная паста с чрезвычайно длительным временем жизни на трафарете.
Таблица 2. Жизненный цикл паяльной пасты на производстве
| Стадии жизненного цикла пасты | Контролируемые характеристики |
| Хранение | Неизменность вязкости и паяемости |
| Нанесение пасты | Тонкая печать с шагом 0,5 мм и сверхтонкая — с шагом 0,4 мм. Время жизни после нанесения. Растекаемость пасты. Отделяемость от стенок апертур трафарета. Скорость печати (нормальная — до 100 мм/с, скоростная — 200 мм/с и более). Тиксотропный индекс (изменение вязкости в процессе оплавления). Полнота заполнения апертур. Размазываемость пасты по трафарету (паста должна образовывать плотный валик перед ракелем). |
| Монтаж компонентов | Клейкость. Стойкость пасты к осадке (растеканию). |
| Оплавление | Образование перемычек (короткие замыкания). Наличие частиц припоя в остатках флюса. Выворачивание и отрыв компонентов (tombstoning). Смачиваемость (образование галтели припоя). |
| Контроль качества | Остатки флюса должны обеспечивать бесперебойную работу АОИ — автоматической оптической инспекции. Для паяльных паст, предназначенных для последующего ICT-контроля, остатки флюса должны быть пластичными и оставаться на зондах. |
| Качество отмывки | При необходимости отмывки от остатков флюса она должна быть полной, без белого налета. |
