Пайка BGA

Качество ремонта промышленной электроники зависит, в том числе, от качества монтажа микросхем после ремонта к контактной площадке платы. Микротрещины в пайке BGA, изъяны пайки из-за некачественной пасты, шариков BGA или флюса могут сами по себе быть причиной некорректной работы вполне рабочей микросхемы. Неисправности появляются из-за дефектов пайки, термического воздействия, вибрации, холодной пайки, недостаточного смачивания флюсом и пр. Качественная пайка подразумевает не только наличие профессионального инструментария и расходников, но и соблюдение технологии и огромный опыт инженера.

 

Гайд от инженеров компании Первый ампер поможет разобраться, что такое пайка BGA и как влияет качество пайки на стабильную работу и срок службы оборудования.

 

 

Что такое BGA микросхема?

 

BGA (от англ. Ball grid array — решетка из массива шариков) — это тип фиксации микросхемы на печатной плате, для которого создается подушка или корпус из металлических шариков. Микросхема должна располагаться на плате и надежно крепиться во избежание микродвижений и отвала от платы. Для этого шарики от 0,15 мм до 1 мм наносят на обратную сторону микросхемы, контактирующую с платой. Далее микросхему равномерно прогревают термофеном (в небольших мастерских) или паяльной станцией (в профессиональных лабораториях), и шарики начинают плавиться. Благодаря поверхностному натяжению корпус центрируется на равном расстоянии от платы. Именно правильно подобранные температура и время способствуют созданию идеального расплавленного припоя. Благодаря этому шарики не деформируются и закрепляют чип ровно над тем посадочным местом, которое запланировано согласно схеме контактов на плате и микросхеме.

 

 

Шарики BGA. Что это и для чего?

 

Шарики BGA используются для крепления микросхемы к печатной плате. Фактически они образуют ножки или опоры между платой и микросхемой. Шариковые выводы формируются двумя способами. Допустимо нанесение шариков BGA фабричного производства вручную, если выводов менее 50. В остальных случаях, когда шариков может быть 1000 и более, применяется нанесение пасты BGA через трафарет, что гарантирует равномерное заполнение и безупречное покрытие поверхности чипа. Именно этот метод сейчас используется в большинстве случаев.

 

Процесс перекатки шариков через трафарет называется реболлинг. Трафарет представляет собой металлическую пластину с отверстиями, в которые втирается и утрамбовывается паста BGA. Его выбирают с таким же шагом шариков, как на микросхеме. Качественный трафарет плоский, без изгибов, вмятин, не выгибается в процессе нагрева.

 

Если шарики имели изначальный заводской брак, демонтаж и ремонт этого участка может понадобиться в оборудовании с минимальным сроком эксплуатации. Если микросхема вышла из строя за время работы прибора или имеет другие функциональные недостатки, установка новой также требует формирования новых шариков для припаивания новой исправной микросхемы. Иногда корпус из шариков необходим, когда плата изготавливается с нуля.

 

 

Как перепаять BGA микросхему? Какие этапы работы существуют для этой процедуры?

 

Перепайка микросхемы требует не только опыта работы с высокотемпературным оборудованием и знания технологии, но и максимальной осторожности инженера, так как часто приходится спасать исправную микросхему. Поэтому половина успеха приходится на аккуратный демонтаж. И только опытный мастер может демонтировать чип, не повредив посадочные пятачки чипа и не испортив контактную дорожку. Этапы перепайки включают такие шаги:

 

• Демонтаж с использованием инфракрасной паяльной станции.
• Удаление припоя специальной впитывающей оплеткой с применением флюса.
• Формирование новых выводов микросхемы из пасты BGA или шариками через трафарет.
• Подготовка площадки.
• Нанесение флюса.
• Позиционирование и монтаж новой микросхемы.

 

В чем сложность операции, и почему ее не может сделать слесарь на заводе?

 

Самостоятельно припаять микросхему таким способом можно, только имея полный набор инвентаря, что крайне редко встречается в мастерской штатного технического персонала на производстве. Однако наличие расходников и инструментария не гарантирует высокое качество работы. Теоретические знания можно получить у опытного мастера, но сам процесс требует огромного опыта подобных работ. На результат может влиять даже недостаточные смачиваемость флюсом, удаление припоя и подготовка рабочей области при формально правильном соблюдении технологии.

 

Какие понадобятся инструменты для пайки?

 

Профессионалы в ремонтных мастерских имеют целый набор трафаретов для разных микросхем, изготовленных с помощью лазерных технологий. Для подогрева микросхемы необходима инфракрасная паяльная станция, прогревающая одинаково всю площадь печатной платы и сохраняющая выверенную температуру в течение всего заданного времени. Также инженер использует обычную паяльную станцию с паяльником и термофеном, стереомикроскоп для работы с мельчайшими компонентами, лезвия, вакуумный электрический пинцет и обычный пинцет с загнутыми губками для снятия чипа после распаивания и точной установки на плату. Для проведения процедуры применяются различные расходники: флюс, термоскотч, медная оплетка, растворитель флюса и загрязнений.

 

 

Нижний подогрев для пайки BGA. Для чего применяется, что дает? Какая температура необходима? Какие альтернативы такого метода?

 

Если для демонтажа микросхемы от платы нагревать только микросхему, ее температура может быть выше, чем температура шариков припоя и платы. Это грозит перегревом и выходом из строя микросхемы, которая может быть вполне рабочей и не нуждаться в замене. Кроме того, верхний прогрев не создает одинаковую температуру по всей поверхности микросхемы, что не подходит для больших чипов.

 

Нижний подогрев обеспечивает равномерный прогрев плат большой площади (от 100 до 600 мм), при этом практически исключаются геометрические изменения плоскости плат. Без этого невозможно, не повредив плату, снять большой чип и совершенно невозможно установить обратно. Плата встанет “пузырем”. Температура нижнего подогрева выставляется алгоритмами программного обеспечения паяльной станции и составляет, в зависимости от профиля, примерно 200 градусов.

 

При одновременном прогреве сверху и снизу шарики плавятся равномерно по всей площади, что позволяет быстро демонтировать микросхему и предотвращает разрушение проводников на печатной плате.

 

 

 

Где ключ у BGA микросхемы?

 

Как правило, ключ на микросхеме выполнен либо медной металлизацией в виде треугольника или уголка на микросхемах с открытым кристаллом, либо в виде медной полосы на микросхемах, где кристалл залит пластиком. Все контакты на чипах и платах содержат буквенно-цифровой адрес, то есть матрица имеет буквенное обозначение по горизонтали и цифровое по вертикали. Буквы I, O, Q, S, X и Z не используются в обозначениях, так как их можно перепутать с цифрами 1,0, 5, 2. Х не фигурирует, потому что часто используется в наименовании серии электронного компонента у разных производителей. Ключи на плате и микросхеме должны совпадать в процессе установки перед пайкой, как и распиновка.

 

 

Флюс для пайки BGA. Что это и для чего?

 

Флюс для пайки — это специальный состав, включающий в себя органические и неорганические вещества. Флюс чаще используют для подготовки места спая, но иногда он используется и для очистки контактного поля. Флюс улучшает смачиваемость соединяемых деталей и помогает припою лучше растекаться. Во время такого прогрева металлы окисляются, появляется оксидная пленка. Флюс растворяет окислы, способствуя лучшей текучести припоя.

 

 

Термовоздушная паяльная станция. Для чего она?

 

Термовоздушная паяльная станция представляет собой мощный фен, где для нагрева используется не жало, как в электропаяльниках, а струя горячего воздуха высокой температуры (до 500 градусов). Стабильная температура поддерживается регуляторами мощности, а температура отображается на индикаторе станции. Воздух поступает по гибкому шлангу на сопло и передается на поверхность через насадки разного размера, что предохраняет от нагревания соседние элементы. Этот инструмент незаменим для щадящего демонтажа и максимальной плотности соединений при монтаже микросхем. Такая паяльная станция применяется при вспомогательных работах для оплавления шариков на микросхеме. Также в такой конструкции специалисты паяют микросхемы BGA с малым количеством выводов для сокращения времени замены таких микросхем.

 

 

Паяльник для пайки. Чем отличаются паяльники для электроники, как это влияет на качество пайки?

 

Для работы с электронными компонентами профессионалы имеют набор паяльников, отличающихся от обычных электропаяльников для пайки проводов. Они меньше по размеру и имеют более тонкие варианты заточек и специальные наконечники. Узкопрофильные паяльники предназначены для нанесения тонкого слоя припоя или точечного нагрева. Также, как и более массивные для более грубых работ, паяльники для электроники бывают нихромовые, керамические, индукционные и импульсные.

Паяльники различного типа нагрева имеют и разные варианты контроля за температурой жала для поддержания температуры в точке пайки. Также для качественной пайки необходим запас по мощности и быстрая реакция блока управления на изменение температуры в зоне пайки. Чем стабильнее температура в области пайки, тем лучше результат.

 

 

Микроскоп бинокулярный. Для чего он, в какой момент используется?

 

Микроскоп бинокулярный или стереомикроскоп необходим инженеру для рассматривания миниатюрных электронных компонентов во время диагностики и оценки качества ремонта. Также он используется для поиска трещин, коррозии проводников печатной платы, позиционирования элементов поверхностного монтажа, чтения маркировки. Этот инструмент имеет 2 окуляра и один объектив, что позволяет ему демонстрировать объемное стереоизображение. Благодаря этому мастер видит все повреждения не на плоскости, а в трехмерном измерении. Стереоскоп значительно улучшает глубину диагностики и ускоряет ремонт.

 

 

Как непрофессионалу понять, что нужна эта операция?

 

Дефекты пайки приводят к дребезгу, пропадающему контакту, перепаду напряжения, изменению тока нагрузки. Старт холодного и теплого блока отличаются, а техника ведет себя нестандартно. Самое опасное в дефектах пайки (микротрещинах) — это искрение и воздушный пробой в работающей электронике. Всё это может сопровождаться сильным нагревом из- за малого сечения проводника. При этом плата начинает чернеть и обугливаться, появляется нагар, который проводит электрический ток.

 

 

Что приводит оборудование к такой поломке до и после ремонта?

 

Разные микросхемы в сложной промышленной электронике отвечают за разные функции: питание, управление процессами, системами охлаждения и пр. Правильная работа микросхемы в таком корпусе возможна только при однородности и одинаковой форме шариков BGA и полноценном контакте спаиваемых поверхностей. В процессе эксплуатации удары, вибрация, перегрев, перепады напряжения, а также засорение системы охлаждения и отсутствие своевременной очистки приводят к деградации компонентов системы. В некоторых случаях невнимание к первым признакам оборачивается потерей микросхем без возможности восстановления. Для устаревшего или произведенного в единственном экземпляре на заказ это критично. Отслеживание нехарактерных проявлений и регулярное обслуживание уберегут технику от серьезной аварии и масштабного ремонта.