Железо

О реболлинге BGA-чипов, ремонте видеокарт, материнских плат и других устройств

Видеокарта является сложным техническим устройством в котором используются микросхемы с множеством миниатюрных выводов, соединяемых с проводящими дорожками не печатной плате способом пайки.

Так как площадь контакта мала, а их количество велико, то существует вероятность ухудшения или полного пропадания проводимости на некоторых из них, что приводит к выходу из строя устройства, появлению черного экрана, артефактам.

Проблемы, связанные с отвалом чипа могут появиться даже у новых видеокарт, в которых используются бракованные чипы памяти и/или графический процессор. Качество контактов со временем падает при эксплуатации графических ускорителей в условиях сырости и сильных перепадов температур, в особенности при резком ее поднятии до критических значений. Свою лепту в этом случае вносит постепенное появление внутренних микротрещин и ухудшение контактов чипа с платой, а также деградация полупроводникового кристалла из-за эффекта электромиграции.

Эта проблема касается не только видеокарт, но и материнских плат, смартфонов и тому подобных устройств, в которых устанавливаются BGA-микросхемы, припаиваемые к PCB. Так как motherboard эксплуатируются в более щадящих температурных режимах в сравнении с GPU, то и проблемы, связанные с отвалом чипов у них появляются намного реже.

Проблемы, вызванные перегревом вычислительного оборудования, частично рассматривались в статьях «О проблемах, связанных с перегревом вычислительного оборудования» и «О деградации памяти видеокарт при майнинге«.

В данной статье рассматриваются проблемы, связанные с пропаданием контактов многоконтатктных BGA-чипов, а также ремонту радиоэлектронных устройств с применением техники реболлинга.

Из-за чего появляются проблемы у BGA-чипов?

Существует две основные причины неисправностей устройств с BGA-микросхемами, связанные с их контактами:

  • отслоение чипа и его контактов от подложки микросхемы (часто);
  • отвал чипа из-за ухудшения контактов между нижними контактами микросхемы и печатной платой (очень редко).

Чтобы понимать причины появления неисправностей BGA-чипов, нужно изучить устройство BGA-чипа в разрезе:

В качестве проводников между микросхемой с BGA-контактами и платой устройства используются шары, которые сначала припаиваются к чипу (это называется реболлингом), а потом микросхема припаивается на плату.

Припаивание BGA-микросхемы к плате устройства осуществляется шарами в зоне контактов Pad-Pad. В то же время, внутри самой микросхемы есть множество контактов, реализованных меньшими шарами, связывающих полупроводниковый кристалл и подложку с контактными площадками. Именно эти внутренние соединения наиболее часто страдают из-за температурных перепадов, сырости, некачественного приклеивания подложки к кристаллу и других причин. Их невозможно надежно устранить в условиях мастерской, поэтому в большинстве случаев для ремонта проблемного изделия с отвалом чипа нужна его замена на новый или отреболенный с донора.

Рассмотрим подробнее основные причины неполадок в работе BGA-микросхем.

Отслоение чипа от подложки микросхемы и пропадание контактов в зоне UBM-Pad (расслоение внутри микросхемы).

Такая проблема может возникнуть в случае резкого нагрева полупроводникового кристалла, приклеенного к отсыревшей подложке, а также при использовании плохого клея для соединения кристалла с подложкой микросхемы.

В связи с этим перед установкой/реболлингом долго хранившихся в сырости (или в неизвестных условиях) BGA-микросхем, рекомендуется несколько часов прогревать их (в сушильном шкафу) при температуре порядка 100 градусов по Цельсию.

Отслоение чипа от подложки может исчезнуть на некоторое время (от нескольких минут до нескольких месяцев) после прогрева чипа, но проблема обязательно снова проявится.

Прогрев феном (нагревателем паяльной станции) в течение нескольких минут на температуре 150-200 градусов можно использовать для диагностики проблемных устройств. Если после него работоспособность возобновилась, то проблема именно во внутренних контактах BGA-микросхемы.

Это означает, что нужно ее менять, так как она очень скоро снова выйдет из строя.

Если в чипе разрушены внутренние проводники (Bonding wire), соединяющие собственно полупроводниковый кристалл с контактными площадками микросхемы, к которым припаиваются шары, то ему не поможет даже прогрев.

Внутренние проводники, соединяющие чип с контактными площадками подложки:

Отвал чипа из-за ухудшения проводимости между контактами на микросхемы и печатной платой (зона Pad-Pad)

Иногда из-за использования некачественного припоя, флюса, некачественной подготовки места пайки и других причин нарушается контакт BGA-микросхемы с печатной платой. На заводе такое может случиться очень редко, поэтому такая проблема чаще всего возникает после непрофессиональной замены чипов или в результате грубого физического воздействия.

Демонтаж, реболлинг и последующее припаивание микросхемы к плате является способом, устраняющим плохой контакт между чипом и Printed Circuit Board (PCB). Само собой разумеется, что чип в этом случае должен быть заведомо исправным.

К сожалению, такой вид неисправностей случается очень редко, так как вероятность повреждения контакта, сделанного на заводе с помощью бессвинцовой пайки (температура плавления припоя 210-240°C) очень мала (температура компонентов карты при работе не поднимается выше 100°C). Контакт может повредиться в основном из-за физического воздействия на хрупкий шарик припоя, залития платы жидкостью, что случается не так уж часто. Даже при использовании свинцовосодержащих припоев (температура плавления 182-240°C) BGA-шарик не может расплавиться при работе карты.

Поэтому реболлинг не является панацеей при ремонте проблемных видеокарт и других устройств. Если владелец видеокарты с поулмертвым чипом (артефакты/черный экран) думает, что ему поможет восстановить ее работу простой реболлинг, то он ошибается.

В большинстве случаев при таких неисправностях нужно менять сам чип, что стоит очень дорого, учитывая его цену и стоимость работы.

Тем не менее, в ремонтной практике reballing применяется довольно часто, так как позволяет повторно использовать чипы от донорских изделий, ремонт которых экономически нецелесообразен.

Что нужно иметь для реболлинга BGA-чипов?

Чтобы качественно устранять неисправности, связанные с заменой BGA-чипов и реболлингом, нужно иметь следующее оборудование:

  • паяльная станция, обеспечивающая плавный регулируемый подогрев платы снизу и сверху;
  • держатель плат;
  • приспособление для реболлинга с трафаретами под разные шары/микросхемы;
  • вакуумный пинцет;
  • шары для реболлинга;
  • качественный флюс с клеящими (для шариков припоя) свойствами (например, FLUX PLUS 6-411-A);
  • защитная фольга;
  • качественные трафареты из нержавеющей стали;
  • экранная оплётка для удаления припоя и легкоплавкий сплав для облегчения этой работы;
  • антистатический поддон (металлическая миска) для сбора шариков;
  • микроскоп;
  • вспомогательные инструменты и перчатки;
  • хорошая вентиляция в помещении, где проводятся работы;
  • салфетки/ватные палочки, омывающая жидкость (например, Flux-Off);
  • знания и прямые руки.

Как проводятся работы по демонтажу, реболлингу и установке BGA-чипов

Работу по замене BGA-чипа с реболлингом можно упрощенно представить в виде нескольких этапов:

  1. Снятие чипа с платы ремонтируемого устройства.
  2. Очистка платы и чипа от старого припоя и флюса.
  3. Подготовка платы и чипа-донора к реболлингу.
  4. Реболлинг чипа.
  5. Установка подготовленного в ходе реболлинга чипа на плату.

Далее представлены иллюстрации, демонстрирующие последовательность работы по ручной замене BGA-чипа и реболлингу шариками в ходе этих действий.

Реболлинг также может производится паяльной пастой вместо шаров в специальных печах в автоматическом режиме, а также с использованием одноразовых трафаретов. В таком случае в процесс вносятся соответствующие изменения, но конечный результат должен быть один — получение чипа с хорошо припаянными чистыми контактами и последующее его припаивание на плату.

Установка платы устройства на стойку нижнего нагревателя и обработка флюсом BGA-чипа перед снятием (плата подогревается снизу нижним излучателем до примерно 150-160 градусов):

После равномерного прогрева платы снизу (для исключения тепловых механических деформаций) начинается работа по выпаиванию проблемного чипа феном (хуже) или верхним нагревателем (лучше).

Тепловой пучок, формируемый верхним нагревателем должен быть немного больше размера демонтируемого чипа, так как в противном случае неизбежно появление его внутренних микроповреждений из-за разницы температур на границе теплового пятна.

Снятие пинцетом BGA-чипа после подогрева феном (температура 225°C):

Обработка контактов освободившейся площадки припоем с низкой температурой плавления (сплав Розе или ПОСВ-50 — 95°C) для последующей очистки и залуживания:

Удаление старого припоя паяльником и медной оплеткой:

Работа по удалению старого припоя должна быть максимально аккуратной для того, чтобы избежать отслоения контактных площадок. Не нужно удалять весь припой, так как в последующем его остатки облегчат дальнейшую работу по реболлингу. Следует добиться равномерного покрытия плоским слоем припоя контактных площадок микросхемы.

Очистка площадки BGA-чипа от флюса и других загрязнений чистящим раствором и ватной палочкой:

Для очистки поверхности вместо ваты лучше использовать салфетки, не оставляющие волокон, намоченные изопропиловым спиртом.

Очистка чипа-донора от старого припоя (деболлинг) паяльником и медной оплеткой (следует помнить, что использование того же чипа, даже отреболленного, при ремонте является сомнительным занятием):

Если в наличии уже имеется новый или отреболенный донорский чип, этот и следующие этапы по реболлингу пропускаются, мастер приступает к припаиванию исправной микросхемы на плату.

Очистка чипа от флюса и загрязнений:

Очищенный чип перед нанесением флюса/реболлингом нужно внимательно осмотреть под микроскопом на предмет выявления загрязнений на контактных площадках. Для промывки можно использовать деионизированную воду и антистатическую щетку с последующей сушкой сухим воздухом.

После очистки чипа на него наносят специальный клейкий флюс, который распределяется по всей поверхности антистатической щеточкой. Флюс для реболлинга одновременно является клеем для BGA-шаров, которые удерживаются на контактных площадках во время реболлинга.

После нанесения флюса проводится приклеивание шаров на контактные площадки с помощью (кристально чистого) трафарета и специального приспособления.

Улучшить качество работы помогает установка трафарета на два шара, предварительно припаянных к контактным площадкам на противоположных углах BGA-чипа.

Припаивание шара для последующей центровки трафарета (этап необязателен, делается в двух противоположных углах чипа):

После выравнивания трафарета на чипе/установке этой конструкции на механическом приспособлении, производится укладка шаров на контактные площадки.

Насыпание шаров для реболлинга на микросхему с трафаретом:

Нужно внимательно проверить трафарет на предмет отсутствия пропусков и, при необходимости, добавить на пустующие места шарики.

Установка чипа с трафаретом на простое приспособление для реболлинга (нужно отцентрировать прижимную пружину и закрутить крепежные винты):

Использование качественного приспособления для реболлинга значительно облегчает работу по центровке чипа:

Качественное приспособление для реболлинга с автоматической центровкой чипа:

Нанесение флюса на новый/донорский чип перед реболлингом:

Установка нужного трафарета на чип:

Если нет нужного трафарета, можно использовать универсальный с отверстиями подходящего диаметра, заклеив алюминиевым (каптоновым) скотчем лишние отверстия:

Засыпание и распределение шариков в отверстия трафарета, установленного на чипе:

Высыпание лишних шариков назад в емкость:

Тщательная проверка и установка недостающих BGA-шаров:

Снятие трафарета (трафареты прямого нагрева можно не снимать):

Проверка и устранение недостатков в нанесении (приклеивание флюсом недостающих шаров):

Перенос чипа с приклеенными флюсом шариками на инфракрасную паяльную станцию:

Трафареты прямого нагрева не снимаются, так как выдерживают высокую температуру. Другие трафареты нужно снимать, так как при нагреве их поведет.

При этом нужно учитывать, что тонкий трафарет прямого нагрева со временем может выйти из строя из-за неравномерного нагрева (феном).

Особенно опасно использование фена на больших чипах, когда невозможно обеспечить равномерный нагрев при пайке, что приводит к внутренним микроповреждениям.

После установки чипа с шарами на паяльную станцию производят оплавление припоя с помощью нижнего и верхнего нагрева.

Реболлинг с использованием только нижнего нагревателя:

Реболлинг BGA-чипа феном (сопло фена при прогреве должно быть на расстоянии около 2,5 см от чипа с шарами, а при достижении температуры оплавления — около 3 мм):

После пайки шары не должны быть слишком темными. Микросхема должна остыть естественным образом.

Снимать трафарет прямого нагрева желательно через короткое время после  реболлинга, когда чип и трафарет еще горячие.

Проверка и устранение недостатков пайки (слипшиеся и неверно/плохо припаянные БГА шары):

Проверка качества пайки шаров под микроскопом:

Самое лучшее качество дает реболлинг на паяльной станции с плавным нижним и верхним автоматическим подогревом до нужной температуры.

Реболлинг на паяльной станции с верхним и нижним нагревателями. Температура нижнего подогревателя установлена на 170-180 градусов, верхнего — около 250 градусов (в зависимости от использующегося припоя):

Температура корпуса микросхемы не должна подниматься выше 220 градусов. Скорость подъема температуры должна быть 1 градус в секунду, пиковая температура 200-210 градусов, время нахождения при температуре оплавления (выше 183°C) — от 45 до 75 секунд (для больших чипов — больше).

Типовой температурный профиль для реболлинга:

Пример температурно-временного профиля для пайки бессвинцовым припоем:

После реболлинга нужно тщательно отмыть чип и трафарет от грязи, для этого используется чистящая жидкость и/или ультразвуковой очиститель и другие инструменты.

Отмывка чипа и трафарета от флюса и грязи:

Очистка чипа перед установкой на плату антистатической щеткой:

Чистоту отмывки отреболленного чипа от флюса нужно проверить на микроскопе. Затем готовят плату для установки чипа и припаивают его на паяльной станции.

Нанесение флюса на печатную плату восстанавливаемого изделия:

Центровка отреболленного чипа на плате с подготовленными залуженными контактами:

Припаивание BGA-чипа на плату мощным феном:

Заключение

IC Chip BGA Reballing — это достаточно сложное занятие, требующее высокой квалификации мастера и наличия дорогостоящего оборудования. Обучение реболлингу для радиоинженеров стоит сотни долларов, а приобретение достаточных навыков для ремонта занимает немалое время.

В связи с этим для ремонта радиоэлектронных устройств с BGA-чипами (видеокарты, смартфоны, материнские платы лэптопов, и ноутбуков и прочее) стоит обращаться к достаточно компетентным специалистам, что стоит недешево.

Учитывая характерные неисправности BGA-чипов не стоит надеяться на долговременную работу видеокарт и других изделий, отремонтированных с помощью прогрева/реболлинга и повторной установки проблемного чипа. Помимо внутренних контактных повреждений у таких микросхем неизбежно имеются деградационные изменения кристалла, что делает подобный ремонт профанацией или мошенничеством.

При покупке б/у видеокарт и других микроэлектронных устройств нужно обращать внимание на потемнения платы в районе BGA-компонентов, которое свидетельствует о работе «прогревастов». Такие изделия не стоит брать даже на детали.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English English Русский Русский