Основы пайки bga и научиться паять

Материал обновлён 10.02.2023
Время чтения: 24 минуты

BGA-микросхемы используются во всех современных устройствах, будь то компьютер, ноутбук, смартфон или игровая приставка.

Свое название они получили в честь применяемой технологии изготовления контактов – BGA (от англ. Ball Grid Array – массив шариков). В ней, для присоединения BGA компонентов к печатной плате используется припой в виде шариков.

Как паяют такие микрочипы? Что такое реболлинг? Какое оборудование, а также какие приемы используют? Обо всем об этом мы поговорим в этой статье.

Необходимость ремонта плат с BGA

Замена BGA чипов в первую очередь обусловлена выходом их из строя, во вторую — обрывом паяного контакта. Повреждение контактного соединения приводит к тому, что микросхема перестает полностью или частично осуществлять свои функции. Это отрицательно влияет на функционирование самого устройства и может привести к его полному выходу из строя.

Признаки повреждения BGA компонентов:

• после включения устройства дисплей остается черным, хотя индикаторы включения горят;
• устройство самостоятельно отключается через несколько минут или секунд после включения;
• устройство самопроизвольно многократно перезагружается;
• нет изображения;
• устройство включается не с первого раза.

Причины выхода микросхем из строя:

• перегрев, вызванный нарушением охлаждения;
• подача высокого напряжения, вызванное коротким замыканием, пробоем изоляции и т.п.;
• физическое разрушение микрочипа, вызванное ударом или деформацией.

Причины повреждения шариковых выводов:

• нарушение технологии запайки (загрязнение, не верная температура, время нагрева или охлаждения);
• не верный подбор материалов (флюса, размера BGA шаров, припоя);
• разрушение из-за попадания влаги;
• механические воздействия (удары, деформация).

Реболлинг, что это?

Действительно частой причиной повреждения контактов становится простое механическое воздействие. Например, устройство в процессе эксплуатации уронили или оно получило удар при транспортировке или эксплуатации. Часто для ремонта таких повреждений достаточно восстановления шариковых выводов и повторной установки компонента.

Сам процесс восстановления шариковых выводов называется «реболлинг» (от англ. „reballing“).

Операция реболлинга является достаточно востребованной, но далеко не самой простой. Главная ее особенность заключается в том, что качественный реболлинг не сделать, как говорится, «голыми руками». Для этого требуется специальное оборудование, при этом сам мастер должен иметь соответствующие навыки и опыт.

Грубо говоря, все выполняемые ремонтные работы можно разделить на два вида: демонтаж микрочипа и его запайку. Но в начале надо позаботиться о безопасности выполняемых работ.

Техника безопасности

Все работы нужно проводить в хорошо вентилируемом помещении, так как при пайке образуются испарения, которые могут причинить вред вашему здоровью.

На некоторых этапах используются химикаты (например, при отмывке платы и компонентов). От них также выделяются испарения. Поэтому необходимо использовать средства личной защиты: очки, респиратор, перчатки.

Безопасность компонентов

Особую опасность для компонентов представляет статический заряд. Он способен вывести из строя электронные компоненты. Для защиты от статики необходимо использовать антиэлектростатические инструменты и принадлежности. А подробнее о статическом электричестве вы можете узнать в нашей статье: «Что такое электростатический разряд».

Следует помнить, что компонентам может нанести вред высокий уровень влажности, резкий перепад температур, а также любые непредвиденные механические воздействия. Поэтому в помещениях для их хранения и в самой мастерской должны быть приемлемые климатические условия. Рабочее же место мастера должно быть удобным, а также оборудовано всем необходимым оборудованием и принадлежностями.

Демонтажные работы

Прежде всего, необходимо извлечь печатную плату с микрочипом, которая находится в устройстве. Корпус надо вскрывать аккуратно, чтобы ни в коем случае не повредить его. Так как в ремонте нуждаются самые разные устройства: телефон, ноутбук, планшет, телевизор, то для их разборки требуется специальный инструмент. Неудобно и ненадежно каждый раз выискивать что-то подходящее из подручных средств для этого. Поэтому хорошим выбором станет универсальный набор инструментов, который поможет аккуратно вскрыть корпус любого современного устройства.

Универсальный набор инструментов ремонтника

Убираем компаунд

Часто, особенно в мобильных устройствах, можно встретить чипы залитые специальным веществом. Это вещество – специальный компаунд. Он позволяет надежно герметизировать элементы. Под них не попадает случайно пролитая вода, а также не сконденсируется влага. Дополнительно компаунд обеспечивает надёжную фиксацию микрочипа, защищая его контактные соединения от разрыва при вибрации, а также ударах. Однако за всеми этими преимуществами стоит сложность снятия зафиксированных компаундом электронных компонентов.

Удалите компаунд по периметру чипа, а также с прилежащих к нему областей. После этого можно приступать к процедуре нагрева микрочипа и его снятию.

Извлекаем микросхему

Ремонт начинается с демонтажа электронного компонента с печатной платы. Для удобства ремонтируемую PCB нужно зафиксировать. Для этого можно воспользоваться специальным держателем. Такое приспособление будет удобно даже при обычных ремонтных работах с электроникой. Определится с держателем вы можете, прочитав нашу специальную статью: «Обзор держателей для печатных плат «третья рука»».

Платодержатели: BEST BST-001C (слева) и BANGSTOOL LFJH400 (справа)

Для снятия микросхемы необходимо прогреть припой соединяющий её с PCB до температуры плавления. Для решения этой задачи можно воспользоваться термовоздушной паяльной станцией (ТВ ПС), либо инфракрасной паяльной станции (ИК ПС).

Термовоздушные станции удобны для выполнения большинства операций по BGA и SMD пайке. Эти устройства компактны, просты в эксплуатации и обслуживании. Подробнее о выборе термовоздушных ПС можно прочитать в статье: «Как выбрать термовоздушную паяльную станцию?».

Термовоздушная ПС Quick 857DW+ (слева) и YIHUA-852D+ (справа)

Инфракрасные ПС имеют больший функционал и предназначены для выполнения серьёзных ремонтных работ. Таких, как: пайка процессоров, видеочипов, реболл графического процессора, микрочипов памяти, а также других.

Их ключевые особенности:

• наличие верхнего и нижнего нагревателей;
• точный контроль температуры нагрева за счет применения термоконтроллера или ПЛК (программируемого логического контроллера);
• дополнительное оборудование в виде вакуумного пинцета, системы позиционирования.

Более подробно о преимуществах, а также критериях выбора ИК ПС можно прочесть в наших статьях: «Как выбрать ИК станцию» , «Обзор паяльных станций или как выбрать паяльную станцию», «ТОП ИК станций».

Инфракрасные ПС для BGA корпусов: ACHI IR 6500 (слева) и Dinghua DH-A2E (справа)

Если микросхема вышла из строя, то при демонтаже можно не сильно беспокоиться о ее перегреве. В такой ситуации важно не повредить саму плату, соседние электронные компоненты, а также пластиковые элементы. Для обеспечения этого надо:

• при работе с термовоздушными нагревателями использовать насадки концентрирующие воздушный поток;
• при использовании ИК станций – оснащать их концентратором, насадкой или диафрагмой фокусирующей, или ограничивающей поток инфракрасного излучения;
• для защиты термочувствительных деталей и электронных компонентов от высокой температуры наклеивать на них алюминиевую клейкую ленту, медный самоклеящийся скотч или полиимидный термоскотч.

Ленты медная, лента алюминиевая, полиимидный скотч

Если предполагается, что компонент не поврежден, то контроль температуры при ее демонтаже очень важен. При использовании термовоздушных фенов выставляют температуру воздушного потока в 300-350 градусов, а на ИК ПС выбирается соответствующий профиль нагрева. В процессе нагрева обязательно выполняют контроль температуры термопарой, пирометром или тепловизором.

Для снятия еще горячего микрочипа, чтобы не обжечься, а также не повредить его при снятии, нужно воспользоваться вакуумным пинцетом.

Подготовка деталей к пайке

Перед монтажом микросхемы необходимо подготовить «пятаки» (контактные площадки) находящиеся на PCB. Надо убрать остатки припоя и компаунда. Для начала выставив 150 градусов, прогревают PCB термофеном или на столе преднагревателе. После размягчения компаунда его остатки соскребают деревянным шпателем или зубочисткой. По окончании операции посадочное место очищают изопропиловым спиртом и мягкой щеткой.

После очистки от компаунда приступают к удалению остатков припоя с контактных выводов. Эту операцию называют деболлинг. Для очистки используют паяльник с контролем температуры, например, это может быть паяльная станция YIHUA-852D+.

Передняя панель ПС YIHUA-852D+ отражающая текущую температуру нагрева

Как только площадка будет очищена можно приступать к удалению остатки флюса и других загрязнений.

Для облегчения снятия остатков припоя можно пролудить контакты низкотемпературным сплавом Розе.

При запайке старого или донорского чипа его контактные площадки также требуют очистки. Удаление припоя, а также остатков компаунда выполняется по той же технологии, что используется для PCB платы.

Для смывки различных загрязнений можно использовать: деионизованную (без ионов) воду, изопропиловый спирт или ацетон, а также обычную зубную щетку.

Проверяем состояния элементов

После очистки контактов выполняется оценка их состояния. Выявляются дефекты PCB, повреждения её контактных площадок и маски. Для этого необходимо воспользоваться микроскопом (МС).

Наиболее подходящими, для этого, считаются стереоскопические микроскопы. Однако некоторые мастера предпочитают промышленные микроскопы.

К преимуществам стереомикроскопов можно отнести:

• получение объемного изображения, что удобно для оценки компонентов, их состояния, отсутствия повреждений;
• большое рабочее расстояние позволяет работать различным инструментом (паяльник, фен и др.);
• защитное стекло, для протекции оптики от испарений, брызг припоя, а также высокой температуры.

Ряд моделей стереомикроскопов выполняются тринокулярными. Это позволяет установить на них камеру и выводить изображение на монитор или записывать видео рабочего процесса.

Стереоскопический микроскоп Crystallite ST-7045 (слева) и промышленный микроскоп Saike Digital SK2700HDMI-T2H (справа)

К достоинствам промышленных микроскопов можно отнести:

• компактность;
• большое рабочее расстояние;
• наличие цифровой видеокамеры.

Для выбора подходящего именно вам микроскопа ознакомьтесь со следующими статьями: «Как выбрать бинокулярный и тринокулярный стереомикроскоп», «Выбираем промышленный микроскоп» и «Обзор цифровых микроскопов Saike Digital».

При оценке контактов проверяют их состояния, а также необходимость выполнения восстановительных работ, качества пролуженности контактов, а также общее состояние электронного компонента и PCB.

Подбор материалов для пайки

После успешного прохождения проверки можно приступать к реболлингу. Операция состоит из двух основных этапов: «накатки» (наплавления) припоя и собственно припайки микрочипа на PCB. Каждый из этих этапов может быть выполнен с применением различного оборудования, а также по различной технологии.

Для реболла могут использоваться либо специальная паяльная паста, либо оловянно-свинцовый или бессвинцовый припой в виде шариков.

При наплавке часто пользуются трафаретными пластинами, однако даже при их отсутствии также возможно выполнить наплавку.

Трафаретодержатель (слева), набор из 18 универсальных трафаретов (справа)

Чтобы выполнить реболлинг чипа, потребуются дополнительные принадлежности:

Набор из 11 банок BGA паста для пайки Daikin Handa DK-309Bi и флюс MECHANIC MCN-UV10

Подбираем трафаретную пластину

Существует два типа трафаретных пластин для «холодной» и «горячей» накатки. Те, что предназначены для «горячей» накатки, не деформируются от температуры, по этому их используют как с пастой для пайки, так и с BGA шариками. Пластины для «холодной» накатки используют только для раскладки шариков по местам. При нагреве они сильно деформируются, что ведет к появлению серьёзных дефектов: непропай, слипание контактов, а также смещению припоя.

Различить их достаточно просто. Трафаретные пластины, применяемые для «горячей накатки» изготавливают в размер чипа или немного больше его. Это позволяет значительно уменьшить термическую деформацию. Все пластины, используемые для «холодной накатки» изготавливаются стандартного типоразмера на 80 мм
или 90 мм. Дополнительно они оснащаются отверстиями для фиксации в трафаретодержателе.

Всегда очищайте трафаретные пластины после использования. Это облегчит отделение его от чипа при будущих применениях.

Трафареты для «горячей» (слева) и «холодной» (справа) наплавки.

Также трафаретные пластины могут быть специальными или универсальными. Специальные изготавливаются под конкретный чип или его серию. На них выполняется надпись, указывающая для какого микрочипа он предназначен. Например, надпись «PS4 CXD90028G 0.5ММ» говорит нам, что трафарет предназначен для наплавления шариков размером 0,5 мм на чипы серии CXD90028G игровой консоли PlayStation 4.

На универсальных указывают два параметра: диаметр используемых шариков, а также шаг, с которым выполнены отверстия. Однако иногда вместо шага может указываться число отверстий по вертикали и горизонтали. Пример маркировки с указанием шага: «P=1.0 0.6MM». Пример маркировки с указанием числа отверстий: «0.76MM 34*34».

Если вы собираетесь серьёзно заниматься реболлингом, то нужно сразу приобрести крупный набор на 545 предметов. Это позволит вам быстро найти необходимую трафаретную пластину для конкретной микросхемы.

Трафаретные пластины: универсальная (слева) и специальная (справа)

Не пренебрегайте рекомендациями производителя по выбору размера шаров. Используя слишком большой диаметр, вы рискуете получить слипание контактов. При использовании слишком маленьких – получите высокое переходное сопротивление контактов. Это может привести к нестабильному функционированию микрочипа.

Выбор пасты или шариков

Что использовать, паяльную пасту или шары? Здесь всё индивидуально. Каждый мастер выбирает самостоятельно, то с чем ему работать. С чем ему удобнее или к чему уже привык. Давайте обсудим нюансы использования каждого материала.

Особенности применения пасты для пайки:

• занимает мало места;
• есть срок годности;
• требуется соблюдение условий хранения;
• возможна только «горячая» BGA накатка;
• при избытке флюса припой может «выпрыгнуть» из ячейки;
• при неплотном прилегании трафаретной пластины или при её температурной деформации возможно слипание контактов.
• Особенности применения шаров для процесса напайки:
• надо иметь запас разных диаметров;
• можно использовать технологию как «холодной», так и «горячей» напайки;
• четко дозированный объем припоя;
• можно напаивать контакты при отсутствии трафарета.

Емкости с шариками-припоем

Технологии реболлинга

Технология наплавления контактных соединений едина для всех компонентов. Она не зависит от того выполняете вы реболлинг процессора, чипа памяти или же это реболлинг видеочипа. Для эффективного выполнения наплавки требуется только практика. Совершенствовать свои навыки можно на неисправных компонентах. Но для начала разберемся с основами технологии реболлинга.

Реболлинг пастой

Пасту для пайки можно использовать при отсутствии шаров подходящего диаметра. При использовании этой технологии нужно контролировать прилегание трафаретной пластины, а также наполненность его ячеек. Не должно быть избытка флюса, а также остатки паяльной пасты не должны находиться на его поверхности.

Ошибки в технологии могут привести к образованию перемычек между контактами, непропаю контактов или выпрыгиванию расплава из ячеек трафарета.

Последовательность операций следующая:

• нанесите флюс, а затем распределите его по контактным площадкам;
• разместите поверх чипа трафаретную пластину, выровняйте её, а затем зафиксируйте всю конструкцию в держателе;
• убедитесь в плотном прилегании пластины, а также отсутствии её изгибания;
• нанесите пастушпателем или лопаткой распределите ее по поверхности заполняя все свободные отверстия, излишки удалите;
• равномерно прогрейте конструкцию термофеном или ИК нагревателем до полного оплавления пасты;
• по окончании оплавления, дайте конструкции немного остыть, а затем аккуратно удалите трафарет;
• под микроскопом убедитесь в качестве наплавления; при необходимости еще раз прогрейте полученные соединения термофеном или допаяйте пропущенные участки;
• после полного остывания смойте с микрочипа остатки флюса.

Накатываем шарики при помощи трафарета

Преимущество шариков – это их строго выверенный диаметр. При их использовании формируются контакты единого размера. Также у них нет срока годности, а это значит, что им не требуется определенных условий хранения, как пастам для пайки. При всем при этом использование шаров значительно ускоряет процесс реболлинга.

В зависимости от используемого трафарета возможны два варианта накатки. Разберем оба.

«Горячая» накатка

При горячей накатке шарики BGA наплавляются без снятия трафаретной пластины.

• нанесите флюс и ровным тонким слоем размажьте его по поверхности микрочипа;
• разместите трафарет, а затем зафиксируйте всю конструкцию в держателе;
• разместите держатель в емкости для сбора излишков шаров;
• насыпьте немного шаров и распределите их по отверстиям кистью;
• выньте трафаретодержатель из емкости и разместите перед собой;
• равномерно прогрейте поверхность термофеном до полного оплавления припоя;
• дав конструкции немного остыть, аккуратно уберите трафарет;
• удостоверьтесь в качестве накатки, а при необходимости дополнительно прогрейте контактные соединения термофеном;
• после полного остывания чипа смойте остатки флюса.

Если трафаретодержатель не имеет площадки для сбора шариков, то разместите его в любой неглубокой емкости. Это позволит вам собрать просыпавшиеся шары и оставив рабочее место в чистоте.

«Холодная» накатка шаров BGA

Для выполнения «холодного» наката используют специальные трафаретожердатели со съемной верхней частью, а также трафаретные пластины с единым размером на 80 мм
или 90 мм.

• нанесите на микрочип флюс тонким слоем распределив его по поверхности;
• разместите чип в трафаретодержателе отцентрировав его;
• разместите трафарет в специальном держателе;
• соедините две части трафаретодержателя;
• выровняйте отверстия с контактными «пятаками» чипа, а затем зафиксируйте всю конструкцию винтами;
• насыпьте шары и распределите их по отверстиям;
• высыпьте излишки шариков, а затем аккуратно удалите трафарет;
• убедитесь, что все шары находятся на своих местах, а при необходимости скорректируйте их положение и доложите недостающие;
• извлеките микрочип из держателя и разместите на термостойкой поверхности;
• выставим минимальную скорость воздушного потока на термофене и равномерно прогрейте шары до их оплавления;
• удостоверьтесь в качестве напайки, в также отсутствии дефектов;
• после полного остывания промойте микросхему.

«Запекания» шаров можно выполнить на инфракрасных паяльных станциях. В таких установках отсутствует риск их сдувания потоком воздуха.

Накатываем шары на микросхему без использования трафаретов

Такой способ реболлинга достаточно трудоемкий. Его выполняют только шариками. Связано это с тем, что вручную нанести одинаковый объем пасты, даже используя шприц-дозатор, невозможно.

Оптимальный способ «накатки», в отсутствие трафарета, – это ручная раскладка шаров по контактным площадкам. Поверхность микрочипа предварительно покрывают флюсом, а затем используя пинцет, медицинский зонд или зубочистку для размещения по контактным площадкам.

По окончанию раскладки выполняется процедура запаивания. Она аналогична той, что применяется при «холодной» технологии.

Для снятия трафарета можно воспользоваться скальпелем либо тонким пинцетом. Помните, что для этого есть всего несколько секунд (не более 15 секунд с момента прекращения нагрева), пока флюс не застыл. Если же опоздать, то придется вновь прогревать микросхему, чтобы добиться размягчения флюса.

Припаивание микросхемы

Финальный этап – это припаивание микрочипа на место. Этап является не менее ответственным, а поэтому к нему надо подходить в полном вооружении, – обладая всем необходимым оборудованием и материалами.

Список требуемого оборудования, а также принадлежностей:

Идеальным решением будет использование инфракрасной ПС. Это позволит полностью автоматизировать процесс запаивания, а также обеспечит высокое качество соединения. Однако часть мастеров предпочитают термовоздушные фены или пока не могут позволить себе ИК станцию. В таком случае следует обеспечить соответствующее качество выполняемых работ, а также четкий контроль нагрева.

На этом этапе, для предотвращения возникновения температурных деформаций PCB, нужно использовать предварительные нагреватели. О том, как выбрать предподогреватель можно узнать в статьях: «Как выбрать преднагреватель плат: гайд от Суперайс», а также «Почему так важен предварительный нагрев печатных плат».

Последний этап ремонта выполняется в следующей последовательности:

• осуществляется финальная проверка микрочипа, а также печатной платы на чистоту и отсутствие повреждений;
• контактные площадки на PCB покрывают флюсом, а затем размещают на преднагревателе;
• укладывают микрочип на место и выравнивают его по меткам;

В процессе припайки обязательно выполняют контроль нагрева чипа при помощи термопары подключенной к мультиметру, токоизмерительным клещам, при помощи инфракрасного пирометра или тепловизора.

Для финальной припайки нужно обязательно применять безотмывочный флюс. Он в процессе нагрева полностью испарится, а не останется между микрочипом и платой. Это предотвратит вероятность развития коррозии контактов, а также возникновения токов утечки.

Финальный штрих

По окончании под микроскопом припаивания выполняется общая оценка выполненной работы. При отсутствии дефектов, а также повреждений на PCB возвращают выпаянные элементы. Затем выполняют её отмывку и сборку устройства

Далее проводятся проверка и комплексное испытание отремонтированного оборудования.

Реболлинг — это несложно

Процесс реболла только кажется сложным и трудоемким. Однако при должной практике вы быстро «набьёте руку» и повысите свои навыки. Четко соблюдая технологию, а также контролируя температурный режим вы добьётесь высокого качества ремонтных работ.

Однако не стоит забывать и об оснащении своего рабочего места. Имея необходимое оборудование, вы сможете выполнять весь комплекс ремонтных работы на высоком уровне. Чтобы выбрать необходимые приборы и инструменты мы советуем заглянуть в соответствующие статьи: «Выбираем оборудование для ремонтной мастерской. Часть 1.», а также «Выбираем оборудование для ремонтной мастерской. Часть 2.».

Если же у вас остались какие-либо вопросы, то их можно направить нашим консультантам. Они всегда готовы помочь.

Курсы пайки bga Исаев Максим

Многие мастера по ремонту телефонов и ноутбуков хотят освоить навык пайки системных плат. Научиться паять можно разными способами. Есть эффективные, или не особо эффективные. В статье разберем разные способы обучения пайке и чему реально научиться на курсах пайки.

Курсы пайки

Во время обучения пайке важно научиться:

• диагностике плат,
• схемотехнике,
• основам радиотехники,
• демонтажу (выпаиванию) микросхем,
• удалению компаунда,
• пайке bga микросхем.

Замер падения напряжения Исаев Максим

А теперь подробнее.

Главное, на чем стоит сфокусировать свое внимание, это диагностика устройства. Так как речь идет про пайку bga, соответственно здесь и далее будем рассматривать системную плату смартфона и ноутбука.

Диагностика

Мастера по ремонту телефонов с большим бэкграундом, говорят, что успех в ремонте на 80% зависит от правильно выполненной диагностики. Поэтому важно при визуальном осмотре обратить внимание на:

• целостность втулок,
• наличие или отсутствие компаунда (полимерная смола),
• «следы» попадания влаги на плату. Это может быть коррозия, изменившие свой цвет индикаторы влаги или радиокомпоненты,
• остатки флюса (свидетельствует, что ранее ремонт уже выполнялся,
• состояние защитных экранов и рамок по периметру платы.

Для диагностики применяется следующее оборудование (в порядке значимости):

• мультиметр,
• лабораторный блок питания,
• USB-tester,
• тепловизор,
• осциллограф.

Замеры мультиметром Исаев Максим

Для диагностики iPhone применяется бесплатная программа 3uTools.

Обучение схемотехнике

Зная расположение элементов на плате, их характеристики и взаимосвязи проведение диагностики сильно упрощается. В сервисных центрах применяются следующие программы:

• Zillion x Work,
• Phoneboard,
• WIXINJI.

Zillion x Work Исаев Максим

Обучение пайке

Начинать паять лучше под руководством опытного наставника. Который поможет откалибровать термовоздушную паяльную станцию, для того чтобы паять на «реальных» температурах. Температурный режим очень важен при выпаивании микросхем. При превышении температуры можно «угреть» плату, определяется легко из-под микросхем (на компаунде) вылетают шарики припоя. А при заниженной температуре часто «отрывают пятаки» повреждают шариковые выводы на системной плате. Тонкостей в обучении пайке очень много, например в какую сторону направлять фен, чтобы не повредить рядом установленные микросхемы. Или как убрать компаунд с микросхемы со стеклянным корпусом, так чтобы не повредить сам корпус чипа. Или как медной оплеткой подготовить контактную площадку на плате, так чтобы не повредить маску.

Обучение пайке Исаев Максим

Как научиться паять

Существует как минимум 3 варианта, при реализации которых вы сможете самостоятельно выполнять ремонты системных плат.

• Договорившись с частным мастером, который работает в сервисном центре.
• В специализированном центре обучения.

Разные способы подразумевают и разную итоговую стоимость и соответственно отличающиеся временные периоды.

Всем успешных ремонтов!

Обучение ремонту телефонов Исаев Максим

Использование микросхем в корпусах типа BGA (от английского Ball Grid Array — матрицы шаровидных выводов) позволяет увеличить плотность поверхностного монтажа.

При этом усложняется технология изготовления печатных плат и возникают дефекты при пайке микросхем такого типа. Также увеличиваются требования к качеству материалов, оборудования и технологии пайки.

Вместе с «ЗУМ-СМД» рассмотрим несколько технологических способов, которые помогут уменьшить вероятность ошибок при smd-монтаже микросхем в корпусах BGA.

Свойства микросхем в корпусах BGA

В отличие от корпусов классических микросхем, у которых выводы расположены по бокам устройства, компоненты BGA типа в качестве электродов имеют шаровидные площадки на нижней широкой прямоугольной поверхности изделия. Поэтому выводы смонтированной микросхемы закрыты самим корпусом интегрального компонента. Такая конструкция в большой степени защищает их от скопления загрязнений между выводами и появлению нежелательных гальванических связей. Однако это накладывает ограничения на методы пайки, качество соединений и делает невозможным визуальное исследование состояния монтажа.

На качество монтажа чипов, упакованных в корпуса BGA типа, влияет состояние интегральных компонентов. Дефектами могут быть:

• заводской брак;
• нарушение технологии лужения выводов, использование некачественных материалов;
• ненадлежащие условия хранения, отсутствие целостности упаковки;
• повреждения при транспортировке, падения, механические воздействия и др.

Для восстановления состояния выводов используют реболлинг. Эту операция применяют, в основном, для демонтированных микросхем и для BGA компонентов, которые подверглись механическим воздействиям или длительное время хранились в разгерметизированном состоянии.

Приемы BGA монтажа

Одним из положительных свойств при пайке BGA компонентов является самоцентрирование. Этот эффект проявляется при формировании паянного соединения, когда расплавленный припой, находящийся на контактных точках печатной платы, соприкасается с разогретыми выводами микросхемы. При этом, если электроды BGA микросхемы расположены в точном соответствии напротив smd-контактов печатной платы, то сближаясь происходит смачивание соединяемых контактов припоем.

В этом случае локальные силы, удерживающие припой в каплевидном состоянии, стремятся равномерно распределиться на поверхности контактов, чем максимально центрируют их расположение. Для проявления такого эффекта необходимо соблюдение дополнительных условий:

• контакты на всей поверхности должны обладать хорошей смачиваемостью припоем;
• корпус в момент соединения не должен быть жестко зафиксирован, но ему нужно иметь возможность смещаться.

Для качественной пайки многовыводных BGA микросхем повышаются требования по копланарности всей поверхности монтажа. Неравномерность плоскости печатной платы может быть устранена частичной шлифовкой, а некопланарность микросхемы нейтрализуется величиной слоя припоя.

Корпуса BGA микросхем имеют классификацию чувствительности к влажности при разгерметизации для подготовки к монтажу. Для некоторых компонентов время хранения составляет всего 24 — 72 ч при 60% RH, поэтому требуется учет и контроль состояния влажности. Если же эти условия были нарушены, то для качественного монтажа требуется длительная сушка в температурном диапазоне +90° С — +125° С в течении 1 — 2 суток. Оснащение производства шкафами сухого хранения позволит увеличить время хранения разгерметизированных BGA микросхем.

Вторая часть курсов по ремонту компьютеров и ноутбуков. Как просто менять BGA чипы на плате

Введение. Что такое BGA чипы

Для начала давайте разберемся что такое BGA. BGA (Ball grid array) — это микросхема, которая припаивается на плату с помощью большого массива шариков припоя. Такой метод используется для упрощения конструкции выводов и монтажа на плату, но он сложен тем, что установка таких микросхем требует дополнительного оборудования.

Сам BGA чип напоминает бутерброд, который состоит из нескольких слоёв:

• Кристалл
• BGA шарики
• Подложка из текстолита

С наружной стороны BGA чипа кристалл, он впаян маленькими BGA шариками на подложку из текстолита. С обратной стороны этой подложки выводы для шаров, которые уже впаиваются на плату ноутбука, компьютера или видеокарты.

Кристаллы всегда заливают дополнительным компаундом, чтобы усилить крепость с подложкой, иногда их покрывают чёрным слоем, чтобы их вообще не было видно. Такая конструкция очень крепкая и её можно сломать только деформируя механически.

Популярнее всего в ремонте замена:

• Графического процессора, GPU, видеочипа
• Северного моста
• Южного моста, чипсета, хаба
• Видеопамяти видеокарты
• Центрального процессора, CPU, комбайна, SOC

Самая популярная техника, на которой мы меняем BGA чипы:

• Ноутбуки
• Видеокарты
• Материнские платы ПК
• Моноблоки
• Macbook
• iMac
• Mac PC

Роль ИК-станции для замены BGA чипов

Инфракрасная станция это поддон с керамическими плитками, на которые подаётся напряжение и они греются. ИК-станция нужна чтобы равномерно нагревать плату при замене BGA чипа.

Дело в том, что текстолит имеет плохую теплопроводность: тепло быстро рассеивается, слабо удерживается и плохо распределяется. Поэтому мы греем платы с нижней стороны равномерно и по всей площади с помощью ИК-станции. Плитки медленно нагревают воздух, а воздух в свою очередь медленно разогревает плату.

Если паять без нижнего подогрева плату с BGA чипом, причём дуя на него, например, феном, то грелись бы только верхние слои всего BGA бутерброда и температура сверху (на кристалле) была бы намного больше, нежели внизу, где шары и посадочная площадка, а сама плата под чипом вообще была бы холодная.

Такого быть не должно, потому что кристалл не любит высоких температур и может начать деградировать от их воздействия или просто лопнуть.

Даже в случае, если разогреть весь BGA бутерброд и его нижнюю часть до температуры плавления припоя снизу, то всё равно нельзя его припаивать на плату, потому что плата под чипом холоднее и припой просто не сможет хорошо припаяться. Сама конструкция начнёт разваливаться на глазах, чернеть и начнёт взбухать текстолит на подложке (отслаиваться). Такой BGA чип и плату уже не восстановить.

Чтобы избежать такого исхода мы и используем нижний подогрев. Помимо этого, если использовать только локальный подогрев, то в другом месте, где плата холодная, она начнёт выгибаться и посадить чип уже проблематичнее. Это происходит из-за конструкции текстолита.

Текстолит имеет множество слоёв, и в случае, когда в одном месте он разогрет, а в другом нет, то в месте, где «соприкасается» разогретый слой с холодным, он расширяется, но расширяются не все слои как положено, а только некоторые. Из-за этого и выгибает плату. Чтобы всего этого избежать мы используем ИК-паяльную станцию.

Равномерно нагревая всю плату снизу мы можем смело греть сверху BGA чип даже феном, потому что тепло сразу же и сверху, и снизу. В таком случае мы можем рассчитывать, что нам потребуются меньшие температуры для нагревания BGA бутерброда, и в следствии мы не «ужарим» кристалл.

Готовимся к пайке BGA

BGA паялкой (нашей) пользуйтесь осторожно, так как она разогревается до больших температур. Всегда, при работе с ней, используйте тряпочные перчатки!

Лайфхак. Надевайте перчатки пупырками наружу, чтобы они не плавились.

Ставим стойки для пайки на плату

Перед тем, как выставить на станцию плату, прикрутите её на стоечки, чтобы плата стояла ровно, и чтобы её не перекосило во время процесса замены BGA чипа.

Плата во время нагрева становится более мягкой и гибкой, поэтому тот угол или середина, которая, как бы, висит в воздухе, может при разогреве изогнуться или прогнуться. Для того, чтобы этого избежать, распределите равномерно стоечки по отверстиям платы так, чтобы вы мысленно представили её во время нагрева и определили какие места могут провиснуть.

Лайфхак. Если на плате в какой-то части нет отверстий под стойки, аккуратно накрутите их на край текстолита.

Тот же фокус работает со слишком большими отверстиями под стойки, в которые они проваливаются. Только стойку после закрепления немного пошевелите, чтобы понимать, что она зажата и при нагреве платы не отвалится.

Включаем нижний ИК-подогрев паяльной станции

Полдела сделано, идём дальше. Снимите с платы все наклеечки, бумажечки и бэкплейты. Не забудьте снять батарейку CMOS, иначе она загорится и взорвётся во время пайки.

Поставьте плату стойками на паялку, теперь включите нижний подогрев. Выставьте его на 60 попугаев и поставьте таймер на телефоне где-то 13 минут.

Экспериментально мы знаем, что плата за это время успеет нагреться до 130-150 градусов, в зависимости от массивности. На нашей паялке даже после выключения нижнего подогрева плата догревается ещё на градусов 20, потому что плитки долго остывают.

Время и температура подсчитываются для того, чтобы плату не выгнуло. Температура в месте пайки должна быть не сильно выше, чем температура остальной платы, хорошо, если разница не больше 50 градусов. Температура плавления припоя ~190-220 градусов, соответственно и плата должна быть не меньше 150-170 градусов в момент пайки BGA чипа.

Прошу заметить, что на плате ничего прикрывать не нужно как снизу, так и сверху, главное, чтобы она не соприкасалась со стеклом пластиковыми местами, если этого нет, то не стоит бояться, что с платы что-то потечёт. Все пластиковые разъёмы сделаны из углепластика, так что им высокая температура не страшна, но если есть какие-то компоненты со сплавом розе с нижней стороны, то они могут упасть во время пайки.

Кстати, не бойтесь, что от больших температур попадают все мелкие компоненты с нижней стороны платы. В твёрдом состоянии само собой ничего не упадёт, но если разогреть какое-то место до 220 градусов, то припой там станет жидким, но ничего не упадёт, потому что за счёт сил поверхностного натяжения эти элементы будут будто притягиваться к местам, где они припаяны, но если что-то припаяно плохо, то оно, конечно, отпадёт. Следите за этим.

Снимаем компаунд с BGA чипов

Чтобы знать какой температуры плата, периодически проверяйте её пирометром. На 100-110 градусах, если у BGA чипа есть компаунд, подденьте его легонько пинцетом и уберите. Компаунд это клей, на который чип по углам приклеен к плате. Если сильно надавить пинцетом, то плата поцарапается, поэтому убирать надо аккуратно.

Если компаунда нет, то убирать ничего не надо. Иногда бывает, что компаунд не сбоку от BGA чипа, а под ним. Такое бывает у ноутбуков Леново, компаунд чёрного цвета под чипом. В таком случае чип снимается тяжело и просто присоской не снимется, его придётся как бы отдирать от платы пинцетом, когда шары под ним расплавятся. Для этого перепроверьте температуры на плате и на BGA чипе, чтобы быть уверенным, что можно так делать, иначе можно оторвать чип вместе с дорожками от платы и привести плату в нерабочее состояние.

Как восстановить дорожки на плате под BGA чипом

Токопроводящие дорожки могут повредиться даже при правильном снятии BGA чипа. Это может быть из-за того, что ноутбук роняли или коррозия подъела контакты. Чтобы всё работало корректно, восстановите оторванный пин вместе с дорожкой. Для этого используйте тонкую проволоку, тонкий пинцет, тонкое жало для паяльника и ультрафиолетовую маску для изоляции.

Метод восстановления токопроводящей дорожки простой:

• Смотрите, где оторвался пин, ищите оставшуюся от него дорожку
• Зачистите оставшуюся дорожку
• Под микроскопом припаяйте к ней проволочку (желательно её перед этом залудить для удобства)
• Старайтесь хвост проволочки вести к месту, где и оторвался пин, куда припаивается шарик припоя

Сделайте в конце подобие спиральки, чтобы исключить сомнения, что точно припаяется. Ведите проволоку так, чтобы она не задела какой-нибудь другой контакт и не замкнулась с чем-то, для этого изогните её. Обычно мы ведём её просто по старому месту дорожки.

В конце нанесите тонкий слой УФ-лака и поставьте под ултрафиолетовую лампу, чтобы лак застыл. УФ-лаком покрывайте даже когда просто повреждена маска текстолита и ничего не оторвано.

Некоторые пины смежные и из-за поврежденной дорожки из двух пинов может образоваться один большой. Шариковый припой может распределиться неправильно и вообще отойти от подложки. В таком случае контакта не будет, потому что весь припой перейдёт на плату.

Вообще, когда дорожки не изолированы, припой может просто не туда припаяться и банально замкнуть дорожки, так что изолируйте УФ-лаком в любом случае. Всё, дорожка восстановлена и контакты изолированы!

Включаем верхний ИК-подогрев паяльной станции

Идём дальше. Как плата дошла до 160-170 градусов, выкручивайте нижний подогрев в ноль, он нам больше не нужен, и включайте верхний подогрев на 45 попугаев.

Как только выключите низ он еще немножко «дойдёт», т.е. если его выключить на 170, то через какое-то время станет 180-190 градусов, и только потом температура начнёт падать. Как только вы включили верх, подождите минутку, чтобы он поднагрелся и тем же временем подошёл низ.

Осторожно, следите как и где лежит верхний подогрев во время разогрева, ибо можно обжечься или спалить что-нибудь. Дальше берите верх в руки за ручку и держите его над чипом с расстоянием 3-4 см от него. Так держите его какое-то время.

Чтобы понять, когда пришёл момент для снятия BGA чипа, во время того, как одной рукой держите верх, другой рукой, держа пинцет, чуть-чуть двигайте рядом стоящие смд.

Как только один из них поддастся, подождите еще секунд пять и потом уже с усилием сдвиньте пинцетом BGA чип. После этого либо пинцетом за край, либо присоской за кристалл снимите чип, но не кладите сразу на стол, ему нужно немного остыть в воздухе.

Лайфхак. Если вы снимаете U-процессоры или другие продолговатые BGA чипы, то кладите их после снятия на такое место на плате, где нет никаких компонентов, чтобы он остывал вместе с платой и его не выгнуло.

Подготавливаем и впаиваем новый BGA чип на плату

После того, как сняли BGA чип, снимите припой с площадок где он стоял для того, чтобы поставить туда новый. Для этого включите паяльник и подготовьте оплётку для снятия припоя.

Сначала нанесите немного флюса на площадку и возьмите на разогретое жало паяльника немного свинцового припоя, чтобы смешать его с бессвинцовым. Потом проведите паяльником по площадке, тем самым снимая большую часть припоя с неё. Во время этого следите за тем, чтобы не снести близлежащие смд.

Когда сняли большую часть припоя не забудьте очистить жало. Дальше используйте оплётку:

• Положите медную оплётку на залуженную площадку
• Поставьте на оплётку жало паяльника (чем больше площадь жала, тем лучше)
• После этого медленно и аккуратно водите жалом вместе с оплёткой по площадке
• Снимите остатки припоя с площадки, меняя оплётку на новую при необходимости

Следите так, чтобы по всей поверхности не осталось бугорков припоя, иначе BGA чип будет елозить и не встанет ровно, но не идеализируйте, совершенно одинаково чисто все пятаки не будут выглядеть. Всё, осталось только выключить верхний подогрев, остудить плату и снять остатки флюса с площадки.

Дальше подготовьте чип для посадки:

• Намажьте тонкий слой флюса на посадочную площадку на плате
• Поставьте на неё BGA чип, чтобы ключ-треугольник на чипе совпадал с таким ключом на площадке
• Выровняйте BGA чип в соответствии с рисками на площадке. Лайфхак. Смотрите на чип строго сверху, а не сбоку, тогда сможете поставить его идеально ровно
• Включите опять нижний подогрев на 13 минут (с условием, что подогрев полностью остыл)

Когда плата нагрелась до 150-170 в месте посадки, выключите низ, включите верх, ждите минутку, поднесите верхний нагреватель к BGA чипу и следите глазами как чип садится. Лучше всего это наблюдать светя на него светильником, лучше зафиксировать его где-то рядом.

Когда визуально определите, что шарики стали блестеть и чип немного поприсел, подождите еще секунд пять. Теперь другой рукой аккуратно возьмите пинцет и легонечко пошатайте чип с углов. Это делается для того, чтобы убедиться, что чип сел ровно и припаялся. Понажимайте немножко на чип по всей поверхности, только очень легонько, потому что есть вероятность неосторожно выдавить шары из-под чипа.

Всё, когда убедитесь, что BGA чип сел, отложите все инструменты и выключите все приборы. Чип посажен, поздравляю! Как отреболлить чип с донора читайте в следующей статье.

Размер шага значительно уменьшается, поскольку электронные устройства становятся все меньше и меньше по размеру. Возникает потребность в размещении электронных компонентов на печатной плате (PCB), подобно тому, как зерна укладываются в кукурузные колосья. Поэтому увеличение количества выводов на печатной плате способствовало изобретению пайки массива шариковых решеток (BGA). Вы найдете его среди наиболее ценных упаковок продуктов.

Однако вам наверняка интересно, как лучше паять BGA или как распознать и устранить дефекты пайки. Сам BGA уменьшается в размерах, а развалившиеся шарики припоя неузнаваемы невооруженным глазом. В данной статье рассматриваются все эти моменты и многое другое. Давайте начнем.

(Здесь показан крупный план технологии BGA на печатной плате)

Пайка массива шариковых решеток — что такое BGA (пайка массива шариковых решеток)

BGA — это устройство поверхностного монтажа (SMD), которое выполняет электрические соединения посредством расположения шариков припоя. У него нет выводов, а упаковка содержит сборку металлических сфер, изготовленных из припоя и называемых шариками припоя. Эти шарики припоя прикреплены с обратной стороны упаковки BGA к ламинированной подложке.

Микросхема BGA крепится к подложке с помощью технологии flip-chip или проводного соединения. Внутри BGA имеет внутренние проводящие дорожки, которые соединяют подложку и чип. Кроме того, она также обеспечивает соединение между связями BGA и подложкой. Вы можете отличить пакет BGA от других пакетов, взглянув на контакты, поскольку BGA имеет металлические шарики припоя вместо гвоздей. Эти шарики припоя обеспечивают высокое количество выводов, превышающее 208 выводов.

По сравнению с другими корпусами, BGA пользуется спросом в отраслях, где используются устройства с большим количеством входов/выходов. В следующем разделе подробно рассматривается, почему следует предпочесть пакет BGA другим пакетам.

(Здесь изображен близкий вид ИС BGA)

Распайка на основе массива шариковых решеток — особенности BGA

Более низкая плотность трассировки улучшает дизайн печатной платы: В таких упаковках, как четырехслойные плоские пакеты, плотность трассировки значительно выше, поскольку контакты расположены рядом. Однако BGA решает или значительно смягчает эту проблему, распределяя контакты по всей поверхности пакета.

Прочный пакет BGA: Вы, конечно, знаете, что плоские пакеты для квадратных микросхем имеют чувствительные контакты, поскольку их можно быстро разрушить, даже если быть очень осторожным. Кроме того, поскольку контакты имеют очень большой шаг, практически невозможно отремонтировать погнутые контакты. Однако в BGA такой проблемы нет. В BGA электрические соединения обеспечивают площадки и шарики припоя, которые нелегко повредить.

Более низкое термическое сопротивление: Опять же, четырехслойная плоская упаковка имеет высокое тепловое сопротивление, но BGA обеспечивает гораздо более низкое тепловое сопротивление кремниевого чипа. Если ваша интегральная схема BGA выделяет тепло, оно быстро и эффективно перейдет из упаковки на поверхность печатной платы.

Четырехслойный плоский пакет (QFP)

Улучшенные высокоскоростные характеристики: В BGA проводники находятся в нижней части корпуса микросхемы. Это означает, что длина проводников внутри микросхемы меньше. Это, в свою очередь, приводит к снижению уровня нежелательной индуктивности выводов. Нежелательная индуктивность выводов отвечает за искажение нежелательных сигналов в схемах, работающих на высокой частоте и скорости. Поэтому при использовании пакетов BGA можно добиться высоких характеристик по сравнению с их аналогами — четырехслойными плоскими пакетами (QFP).

Уменьшенная толщина пакета: При использовании BGA-пакетов вы получаете уменьшенную толщину и можете без труда изготавливать печатные платы для тонких электронных изделий, таких как смартфоны.

Практичное использование пространства печатной платы: Вы можете продуктивно использовать пространство печатной платы с помощью микросхем BGA. Вы можете выполнять электрические соединения под поверхностью этого SMD-чипа. Вам больше не нужно ограничивать связи только периферией SMD-пакетов.

Можно разрабатывать небольшие пакеты ИС: Стандартные SMD-устройства, такие как массивы штырьковых решеток и dual-in-line, имели переполненные штырьки, с крошечной площадью между ними. Это является недостатком, поскольку вы можете случайно спаять вместе два или более контактов. Тем не менее, при использовании BGA вы не столкнетесь с подобной проблемой и сможете легко изготавливать небольшие корпуса ИС.

(Здесь показан отпечаток BGA на печатной плате)

Недостатки

Как известно, не все идеально, поэтому BGA имеет несколько недостатков. Во-первых, если вы наивны и не являетесь экспертом в работе с BGA, вы столкнетесь с трудностями при проектировании и изготовлении схем. Во-вторых, иногда трудно обнаружить дефекты в корпусе BGA. В-третьих, BGA являются непроводящими. Наконец, они имеют высокую стоимость, что может быть или не быть недостатком в зависимости от вашего бюджета.

Пайка массива шариковых решеток — распространенные типы BGA

Пластиковые BGA (PBGA) являются наиболее востребованными BGA благодаря своей низкой стоимости. Они имеют шаг шариков размером от 1 мм до 1,27 мм. Эти BGA имеют многослойную подложку из стеклосмеси, корпус с пластиковым покрытием и гравированные медные дорожки. С ними вы получите предварительно сформированные шарики припоя и повышенную температурную стабильность.

Если вы задаетесь вопросом об их применении, вы можете использовать их для устройств, требующих производительности среднего и высокого уровня. Таким устройствам необходимы низкая индуктивность, высокий уровень надежности и простота монтажа на поверхность. Пластиковые пакеты также имеют дополнительные медные слои, что может способствовать повышению уровня рассеиваемой мощности.

Керамические BGA

Керамические BGA (CBGA) относятся к самым ранним типам BGA. Он поставляется в керамическом пакете прямоугольной или квадратной формы, в котором для создания внешних электрических соединений используются шарики припоя, а не выводы. CBGA располагаются в сетке, присутствующей на обратной стороне корпуса коробки. Их можно использовать в ноутбуках, телекоммуникационных системах и устройствах для тестирования.

BGA с гибкой лентой

В этом типе BGA гибкая лента, чип и шарики припоя расположены на обратной стороне металлического теплораспределителя. Этот теплораспределитель служит в качестве несущей и жесткой основы пакета BGA с гибкой лентой. Микросхема соединяется с дорожками ленты с помощью проволочного соединения, а затем помещается в оболочку. Если вы хотите сравнить их с QPFA и PBGA, то их надежность, электрические и тепловые характеристики действительно лучше. Их можно использовать в решениях, требующих высоких тепловых характеристик без теплоотводов.

Высокопрофильные металлические BGA с высокой теплопроводностью

Подобно BGA с гибким отводом, вы также можете достичь более высоких электрических и тепловых характеристик с помощью высокопрофильных BGA с металлической вершиной с высокой теплопроводностью. Их конструкция в некоторой степени схожа с BGA с гибкой лентой. Микросхема крепится на обратной стороне пробки или теплораспределителя, достигая верхней части пакета. Таким образом, благодаря медному теплораспределителю, достигающему верха пакета, вы получаете значительно меньшее тепловое сопротивление, а поверхность пакета свободно доступна для воздушного потока.

Если вам также необходимо использовать теплоотвод или другие пассивные или активные устройства терморегулирования, вы можете соединить теплоотвод с ними. Кроме того, если вы разработаете дополнительные плоскости заземления и питания, вы получите улучшенные электрические характеристики. При использовании этого типа BGA-пакетов недостаток, заключающийся в том, что BGA-пакеты трудно проверить, больше не действует. Его верхняя поверхность обладает высокой отражательной способностью, поэтому системы технического зрения обеспечивают лучшую производительность при использовании рассеянного источника освещения, а не поляризованного.

Пакет со шкалой чипа

Пакет BGA получил свое название потому, что его можно спроектировать в соответствии с требованиями к размерам микросхемы. Любой пакет BGA является пакетом масштаба микросхемы (CSP), если он соответствует спецификациям вашей микросхемы и является устройством поверхностного монтажа. Их можно использовать в смартфонах, интеллектуальных устройствах, ноутбуках и других современных компактных электронных устройствах.