Технология и оборудование для пайки и замены BGA-чипов в ноутбуках. Какие приспособления понадобятся для самостоятельной пайки BGA-микросхем?

Для пайки BGA-микросхем в промышленных условиях используются достаточно дорогостоящие паяльные станции которые стоят десятки тысяч долларов. Для небольших сервисных центров производящих ремонт печатных плат с заменой BGA-чипов, приобретение такой паяльной станции становится невозможным из-за её высокой стоимости. Между тем, есть способ изготовления паяльной станции кустарным способом - её стоимость составит около 250$. С её помощью можно производить сложнейшую пайку BGA-микросхем чуть ли не в домашних условиях. Самое главное, что результат пайки BGA-микросхем на дорогостоящей паяльной станции и станции нашего кустарного производства одинаковы. Несомненно, что для небольших сервисных центров такое решение будет оптимальным. Поэтому мы решили поделиться технологией изготовления нашего приспособления.

В данной статье полностью описан процесс пайки, замены BGA-чипов: северного и южного моста, видеочипа. Так же приведён список необходимого для пайки оборудования и расходных материаллов. Нужно сразу отметить, что без должного опыта и навыков, даже имея приспособления и оборудование которые перечислены в данной статье, произвести самостоятельную замену BGA-чипа довольно сложно. Поэтому вся информация изложенная в этой статье представлена нами больше в ознакомительных целях. Между тем, если изрядно потренероваться на "донорах" и выучить взаимозаменяемость чипов (смотри тут), то освоить замену BGA-микросхем смогут довольно многие, кто умеет держать в руках паяльник и знаком с электронными схемами, а так же имеет прямые руки:-)

Итак, что же нужно для пайки BGA-чипов? Нужно собрать несложную паяльную станцию, которая использует для нагрева платы и находящихся на ней элементов, инфракрасное излучение. Такая паяльная станция состоит из платформы нижнего подогрева печатной платы ноутбука и непосредственно локального инфракрасного излучателя, который направлен на отпаиваемый (припаиваемый) BGA-чип. В качестве нижнего подогрева мы используем промышленный инфракрасный обогреватель мощностью 1 кВт, а в качестве направленного источника тепла - обычную лампу накаливания ИКЗК-250 инфракрасного излучения. См. фотографии ниже.

Промышленный обогреватель инфракрасного излучения установлен в горизонтальном положении при помощи фигурных ножек из обычного ламинированного ДСП. Лампа ИКЗК-250 мощностью 250Вт смонтирована на держателе типа "жираф" таким образом, что бы её можно было разместить над печатной платой на расстоянии 5-7 см.

Получилась вот такая конструкция. Несмотря на её простоту она обеспечивает локальный нагрев платы сверху до 300 градусов по Цельсию, что вполне достаточно для плавления современных припоев используемых для монтажа BGA-микросхем и чипов. Инфракрасный обогреватель используемый в качестве нижнего подогрева печатной платы обеспечивает равномерный нагрев платы снизу до 150-180 градусов, что предотвращает неизбежную деформацию платы при её локальном нагреве лампой инфракрасного излучения при пайке. Для измерения температуры нагрева мы используем профессиональный мультиметр с термопарой которая закрепляется непосредственно в месте пайки.

Ещё одно необходимое для пайки BGA-микросхем приспособление это - так называемый "подъёмник" чипа. Он выполнен на базе подъёмного механизма от обычного микроскопа. С микроскопа снимается вся оптика и весь остальной ненужный обвес. Остаётся только сам механизм обеспечивающий плавное вертикальное движение. Вся конструкция напоминает небольшой башенный кран :-)

На конце стрелы этого подъёмника закреплена квадратная рамка размерами примерно 5 х 5 сантиметров, на которую крест на крест крепится клейкая лента при помощи которой можно предельно аккуратно снять BGA-чип в процессе его отпайки от печатной платы. При должной сноровке и опыте, снятый таким вот способом BGA-чип, не нуждается в дальнейшей "перекатке" шаров. Это очень удобно когда нужно пересадить исправный чип с материнской платы-донора. Так же с помощью данного приспособления можно позиционировать чипы при их монтаже на печатную плату что бы избежать непредвиденного смещения микросхемы по плате из-за выхода пузырьков при кипении паяльной пасты в процессе нагрева платы.

Большую роль при сборке этой паяльной станции играет абсолютная горизонталь поверхностей оборудования. Это проверяется и достигается при помощи "уровня". Четкая горизонталь необходима что бы исключить подтёки паяльной пасты при её плавлении, а так же что бы максимально исключить смещение чипа во время его пайки. Следующее, что понадобится при пайке BGA-чипов это паяльная паста (флюс) и медная оплётка для удаления излишков припоя с печатной платы. Для пайки BGA мы используем паяльную пасту производства Канада: NC297 DX Paste Flux. Есть также аналогичная паста Американского производства. Данная паяльная паста хороша тем, что практически не кипит при пайке, кроме того она не нуждается в отмывке, т.к. не электропроводна. Между тем промывать материнскую плату после пайки всё-таки нужно. Для этого используется аэрозольный баллончик "FLUX-OFF" или обычный органический растворитель марки 646.

Для удаления излишков припоя с контактных площадок BGA-чипа мы используем медную оплётку или паяльник с насадкой "волна". Волна конечно поудобнее, но для её использования неоходимы некоторые навыки и глазомер.

Теперь о том, как крепится плата для пайки. Понятное дело, что просто класть плату на поверхность нижнего подогрева - полное безумие :-) Для горизонтального позиционирования материнской платы мы используем бронзовые ножки одинаковой длины которые крепятся по её периметру в свободных технологических отверстиях платы. Таким образом при установке платы на поверхность нижнего подогрева мы получаем "просвет" в 1,5 см. При этом плата находится в строгом горизонтале параллельно поверхности обогревателя. См. фотографии ниже.

Перед началом пайки необходимо удалить компаунд, который крепит BGA-чип к печатной плате. Для этого компаунд разогревается феном при температуре 250-280 градусов. От нагрева компаунд размегчается, что позволяет его легко удалить. Для этого можно использовать зуботехнический крючёк или деревянную зубочистку если вы боитесь повредить дорожки на материнской плате. Удалять компаунд нужно тщательно и очень аккуратно, при этом максимально выковыривать его из-под чипа, в особенности - по углам. Когда компаунд удалён, можно ставить плату на паяльную станцию.

Если мы отпаиваем чип, то подводим над ним подъёмник с рамкой на котором закреплена новая клеящая лента и приклеиваем середину креста на кристалл чипа. Перед этим не забываем промазать весь чип по периметру паяльной пастой. В этом случае инфракрасную лампу нужно опускать над чипом на расстоянии 2-4 см. При монтаже чипа расстояние подбирается экспериментально в соответствии с температурой нагрева платы и типа припоя который используется при монтаже BGA-чипа. Следует заметить, что чипы производства компании AMD (ATI) довольно чувствительны к перегреву, поэтому нужно быть предельно осторожным и аккуратным при монтаже микросхем данного производителя. В противном случае вы рискуете спалить новый чип, что достаточно нередко случается при небрежном отношении к пайке Атишных чипов. Чипы от NVidia не так чувтвительны к перегреву, однако и их можно легко "убить" при отсутствии должного опыта и навыков необходимых для BGA-пайки "на коленке".

А это пример того, как не следует отпаивать BGA-чипы: на фотографии отчетливо видны сорванные "пятаки" - контактные площадки. В данном случае материнская плата уже неремонтопригодна, хотя иногда при отсутствии нескольких пятаков чип совершенно нормально функционирует. Это обьясняется тем, что существуют так называемые площадки "нонконтактед", т.е. они не соединяются с другими элементами на плате. Но это уже дело случая и везения....

IRDA Rework Soldering Station Так выглядит более-менее профессиональная инфракрасная паяльная станция для пайки BGA-чипов. По стоимости она конечно же во много раз дороже, чем приспособление о котором рассказано выше, между тем для работы с ней так же необходимы опыт и навыки по пайке BGA микросхем и чипов.

Автор статьи: Винчестеров Дмитрий.

Все права на данную статью принадлежат исключительно компании BOOK-LAB
Копирование и публикация на других ресурсах любых материаллов статьи допускается только с указанием ссылки на первоисточник.

Пайка BGA элементов. Практические приемы и рекомендации для пайки BGA-элементов.

В современной радиоэлектронной аппаратуре, такой, как мобильные телефоны, компьютеры и пр., широко применяются радиоэлементы в корпусе типа BGA (в дальнейшем BGA-элемент). Данный тип корпуса позволяет значительно экономить место на печатной плате за счет размещения выводов на нижней поверхности элемента и выполнения этих выводов в виде плоских контактов, с нанесенным припоем в виде полусферы (см. рис.1). В корпусе такого типа выполняют полупроводниковые микросхемы, элементы ВЧ тракта (фильтры, селекторы, коммутаторы ). Пайка такого элемента осуществляется нагревом непосредственно корпуса элемента и зачастую подогрева печатной платы, при помощи горячего воздуха и инфракрасного излучения.
Пайка BGA-элементов имеет определенные сложности и зачастую для нее применяется весьма сложное и дорогостоящее оборудования. Данная статья описывает пайку с применением минимума средств.
Минимум, который необходим для пайки: фен, пинцет, микроскоп, флюс безотмывочный, жидкость для удаления флюса, вата х/б, шило монтажное (лучше стоматологический зубной зонд) для коррекции элемента на плате, фольга с клеевым слоем для теплозащиты.
Случай, когда требуется заменить BGA элемент, является более общим, а потому его и рассмотрим.
Первое, что нужно сделать- это оценить, не будут ли повреждены близко расположенные элементы потоком горячего воздуха. Микросхемы, залитые компаундом, элементы, имеющие пластиковые детали (микропереключатели, SIM-ридеры) необходимо закрыть фольгой для сведения к минимуму теплового воздействия.
Если есть близкорасположенные микробатарейки, микроаккумуляторы, их лучше всего демонтировать, а затем поставить на место при помощи паяльника.
Приняв необходимые меры предосторожности, располагаем плату на столе так, чтобы демонтируемый BGA- элемент легко было поднять пинцетом, когда припой расплавится. Имеется в виду, что для захвата пинцетом должно быть необходимое пространство и пинцет при захвате должен располагаться в руке удобно и естественно, иначе очень высока вероятность сдвинуть соседние элементы, так как припой, закрепляющий их, будет тоже расплавлен. Лучше всего плату надежно закрепить в горизонтальном положении и повернуть ее в горизонтальной плоскости под удобным углом.
Затем начинаем греть элемент феном, который держим в левой руке, периодически пытаясь приподнять элемент пинцетом (примерно через каждые 30 секунд). Время нагрева сильно зависит от условий в помещении: температуры воздуха, наличия сквозняков, открытых форточек и т.д. Если элемент приподнялся с одного края, то насильно отдирать его нельзя, а нужно отпустить и еще погреть 15-30 секунд. Прикосновение холодным пинцетом сильно остужает элемент, это тоже нужно иметь в виду. Неплохо во время нагрева держать пинцет рядом со снимаемым элементом, для подогрева пинцета. После снятия элемента дальнейшие операции лучше проводить с еще горячей платой. (Если при прогреве элемент подпрыгнул, в буквальном смысле, то это свидетельствует о расслоении печатной платы в результате заводского дефекта. Такая плата ремонту не подлежит!!!)
Когда микросхема снята, необходимо удалить лишний припой с платы. Для этого наносим пастообразный флюс и собираем припой паяльником, периодически удаляя припой с жала. Необходимо учитывать, что большие «горки» припоя затруднят позиционирование нового элемента. А если пятаки(контакты на плате) будут не облужены, то получившийся контакт может быть не надежен. Следует обратить внимание на целостность пятаков. Если отвалились пустые пятаки, то ничего страшного, если отвалился пятак, имеющий контакт, то можно попробовать облудить металлизацию в отверстии и сформировать капельку припоя на месте пятака.
Затем удаляем грязь и остатки флюса с платы. Глядя в микроскоп, необходимо проконтролировать результат и исправить недостатки. Недостатки могут быть следующего характера:
плохо облуженные пятаки,
на пятаках слишком много припоя,
замыкания между пятаками,
повреждения паяльной маски,
поврежденные пятаки,
отслоившиеся проводники.
Если дефект устранить не удается, то изделие неремонтопригодно.
Затем наносим пастообразный флюс. Флюс необходимо наносить на всю поверхность под элементом, даже если контакты расположены только по периметру. Иначе воздух из пустоты в середине при нагреве расширится и значительно сместит элемент. Важно количество флюса. Его должно быть достаточно для смачивания нижней поверхности элемента, но если элемент будет плавать в «луже», то его будет трудно позиционировать. Я предпочитаю флюс, нанесенный на плату, прогреть феном до жидкого состояния, перед помещением BGA-элемента на плату. Так как при пайке он все равно нагреется и элемент может значительно сместиться.




Рис.1 Расположение выводов по периметру.
Область выводов закрашена серым.

Извлекаем элемент из контейнера и ставим на плату, соблюдая ориентацию «ключа». Точное позиционирование выполняем под микроскопом по маркерам при помощи монтажного шила. При позиционировании следует учитывать шаг между контактами. Не обязательно добиваться идеального расположения, достаточно небольшого соприкосновения между «шарами» припоя на BGA-микросхеме и пятаками на плате. Оценивать точность позиционирования необходимо с учетом шага контактов и их размера.




Рис.2 Правильное позиционирование.


Необходимое выравнивание произойдет за счет эффекта смачивания при расплавлении припоя.
На Рис.1 приведен пример правильного позиционирования микросхемы на плате, на Рис.3 и Рис.4 приведены примеры неправильного позиционирования элемента на плате. На Рис.3 «шары» припоя одновременно соприкасаются с двумя пятаками, при этом при расплавлении припоя микросхема может встать неправильно, или могут возникнуть замыкания. На Рис.4 шары совсем не соприкасаются с пятаками, при этом сколько бы мы ни грели элемент, его пайка не произойдет.
Обычно имеется взаимосвязь между линейными размерами маркера и шагом выводов на элементе.
Если имеются сложности с позиционированием, то иногда имеет смысл прогреть примерно установленный элемент феном, для выпаривания флюса. После выпаривания флюс будет вязким и элемент можно установить более точно.




Рис.3 Неправильная установка.
Неоднозначное соприкосновение «шаров» и пятаков.




Рис.4 Неправильная установка.
Нет соприкосновения «шаров» и пятаков.


Собственно пайка. Для пайки необходимо отрегулировать расход воздуха под конкретную форсунку. Элемент не должно сдувать. Если элемент сдувает, то подачу воздуха нужно уменьшить. Температура на индикаторе паяльной станции зачастую не соответствует температуре воздуха, выходящего из форсунки. Нормально, если индикатор будет показывать 500-550 гр.С.
Предварительно прогревают элемент, для этого нужно держать фен на расстоянии 2-3 см; через 30-60 секунд приближают фен на расстояние 5-10 мм от поверхности элемента для расплавления припоя. Плавными движениями прогревают поверхность элемента и пространство непосредственно рядом с ним. Примерно через 60-180 сек. элемент заметно осядет и выровняется по маркерам (оседание видно, если смотреть сбоку), что свидетельствует о расплавлении припоя. После оседания элемент следует погреть 10-15 секунд. Большая микросхема может оседать частями, сначала с одной стороны. В этом случае нужно продолжать греть всю поверхность, обращая особое внимание на непропаянную часть.
После этого нужно дать остыть плате в течении 15-60 секунд, жидкостью для снятия флюса, снять избытки флюса и просушить плату.
Качество пайки можно контролировать по следующим признакам:
расположение элемента относительно маркеров; лучше сравнивать с такой же платой или запомнить расположение элемента, маркеры не всегда расположены идеально ровно и может возникать впечатление, что элемент не совсем правильно встал на место,
глядя на элемент сбоку, можно оценить, на всех ли контактах образовалось качественное соединение; если рядом с BGA-элементом расположен крупногабаритный элемент, то с одной из сторон пайка может быть затруднена вследствии неудачного распределения воздушных потоков, и элемент с одной из сторон не пропаяется. Глядя при помощи микроскопа на форму капель припоя, можно оценить качество пайки.


Обратите внимание.
Если при прогреве элемент подпрыгнул, то это свидетельствует о расслоении печатной платы в результате заводского дефекта. Такое изделие ремонту не подлежит.
Ничего страшного, если элемент с небольшим количеством выводов встал криво, не на место. Как правило, возможно его аккуратно поднять и припаять правильно без стандартной накатки шаров. При определенном навыке возможно снять и вновь поставить BGA-элемент и с очень большим количеством выводов и очень мелким шагом выводов, без накатки шаров.
Некоторые жидкости для снятия флюса могут вызывать сбои при работе телефона. Поэтому плату после промывки необходимо хорошо просушивать в течении 3-4 часов.
Примерный паяльный профиль для паяльной станции типа Martin:
240 гр.--80 сек.
320 гр. --110 сек.
Повторная пайка снятого BGA-элемента возможна, но она в данной статье не рассматривается, так как применяется весьма редко.
Паяльная маска- это изолирующий состав, которым покрывается печатная плата для предотвращения повреждений проводникв и коротких замыканий между проводниками.
Маркеры – это метки на печатной плате, показывающие, как правильно должен стоять элемент; зачастую элемент может быть в корпусах разного размера и на одном посадочном месте , в этом случае на плате будет много маркеров.
Если видны вспучивания платы под микроскопом, то это свидетельствует о заводском дефекте; такая плата ремонту не подлежит.
Как правило, удается оценить подачу воздуха феном, направляя поток на руку, с расстояния 20-30 см, на время 0,5-1 секунду. Данный прием небезопасен и требует определенного опыта.