BGA (Ball Grid Array) чипы – стойкая современная тенденция обеспечивать контакт и одновременно крепление БИС (большой интегральной схемы) с остальной схемой на печатной плате. Эта технология очень широко используется в компьютерной электронике. Так, например, «северные» и «южные» «мосты», комбинированные чипсеты Intel, nVidia, AMD, графические процессоры и, все чаще в современных ноутбуках, центральные процессоры, монтируются по данной технологии .
Вы наверняка догадались, что простым паяльником заменить такую микросхему не получится. Для таких задач используются специальные паяльные станции, которые могут расплавить все шарики микросхемы одновременно.
Разберем эту сложную технологию на наглядном примере. Есть ноутбук ASUS, в котором требуется замена чипсета Intel HM65, который находится на материнской плате ноутбука. Поскольку технология BGA монтажа предусматривает нагрев всей платы, с платы снимаются все детали, которые боятся нагрева и освобождаются слоты.
Примечательно, что каптоновая лента, с виду похожая на обычный скотч, не боится нагрева и снимать ее не нужно, если она не мешает процессу механически. Наоборот, ее и алюминиевую фольгу можно использовать в целях защиты особо чувствительных участков от излишнего нагрева. Итак, вот наша плата:
Обратим внимание, что наша микросхема дополнительно приклеена к материнской плате компаундом по углам:
И перед пайкой его нужно удалить. На платах, которые использует ASUS не особо стойкий компаунд и удаление его при соблюдении определенных технологий не составляет проблем. А вот в ноутбуках таких производителей как Lenovo, Fujitsu и HP можно встретить особо стойкий компаунд, которым чип еще и приклеен по всему периметру или между шарами.
Удаление такого компаунда – очень сложная и трудоемкая работа. Иногда она невозможна без повреждений печатной платы.
Однако в нашем примере все просто, и мы видим результат:
Даже при демонтаже микросхемы важно использовать паечный флюс, т.к. в его задачи входит не только предотвращение окислений контактных площадок, но и обеспечение теплового контакта. Соответственно подбор флюса должен быть правильным, что к сожалению, совсем не дешево.
Подготовленная плата устанавливается на паяльную станцию, где она целиком достигает определенной температуры, согласно термопрофилю технологического процесса пайки. Термопрофиль – это специальный алгоритм роста, удержания и снижения температур во времени, предназначенный для исключения влияния на процесс пайки разных коэффициентов теплового расширения материалов, из которых сделаны чип и печатная плата.
Для нагрева платы используется определенный спектр излучения волн инфракрасного диапазона. На фото, кстати, нагреватели включены, но в видимом спектре волн излучений нет.
Хотелось бы обратить внимание на огромное разнообразие исполнения материнских плат ноутбуков. Разнообразная геометрическая форма, разная толщина текстолита, разное количество слоев печатной платы и разная площадь металлизации сильно затрудняют подбор и автоматическое выполнение термопрофиля пайки, поэтому, особенно для работы с ноутбуками, очень важны опыт и квалификация оператора паяльной станции.
Малейшее искривление платы во время пайки может привести к потере контакта или возникновению ненужного. А плата будет стремиться искривиться, и довольно активно: она состоит из множества материалов с разными коэффициентами теплового расширения и разной геометрией.
Поэтому паяльная станция должна предоставлять возможность правильно закрепить печатную плату и равномерно прогреть ее. А квалификация оператора должна позволять оператору соответственно правильно расположить плату на станции и предугадать распределение температуры по ее площади. Определение распределения температур особенно важно на этапе, когда в процесс включается верхний нагреватель, т.к. он прогревает уже только лишь определенную область. А вот и он:
Именно верхний нагреватель доводит эту область до температуры плавления шариков припоя (шариков-ножек микросхемы). Далее вакуумным или механическим захватом чип снимается с платы. В некоторых случаях микросхему необходимо срывать, преодолевая силу компаунда, который в некоторых моделях ноутбуков находится довольно глубоко под самой микросхемой.
В любом из случаев перед снятием нужно убедиться, что температура плавления достигнута по всей площади чипа, поскольку благодаря различной площади проводников печатной платы, которые подводятся к выводам микросхемы, часть шаров плавится раньше, а часть позже.
Оператор же должен проконтролировать этот момент отдельно, т.к. в большинстве своем паяльные станции позволяют контролировать температуру лишь в одной точке материнской платы. Этого не достаточно для оптимального выполнения технологического процесса.
Перед установкой нового чипа контактные площадки материнской платы очищаются от остатков припоя и отработанного флюса.
Затем наносится тонкий ровный слой безотмывочного флюса.Такой флюс сохраняет свою активность только лишь до достижения температуры плавления припоя, поэтому после пайки не требуется очистка платы от него.
Теперь можно устанавливать новый чип. Они, кстати, поставляются в ленте, одна ячейка которой выглядит так:
Ключевыми моментами установки микросхемы на плату являются совпадение так называемого «ключа» микросхемы
и точное позиционирование
В таком виде плата снова отправляется на паяльную станцию и повторяется процесс нагрева согласно термопрофилю. Сначала предварительный подогрев всей платы:
а затем нагрев в области микросхемы до температуры плавления припоя:
Опять же, при пайке необходимо обеспечить равномерный прогрев всей области пайки. Иначе часть шариков припоя может не расплавиться и не образовать необходимый контакт с платой. Другой крайностью этой проблемы является перегрев чипа, если прогрев не равномерный, а температура плавления контролируется по самой холодной точке зоны пайки.
Во всем разнообразии изготовления материнских плат для ноутбуков гарантией качества пайки может являться исключительно правильное оперирование паяльной станцией.
После достижения температуры плавления припоя плата плавно остывает до безопасной температуры:
После чего она готова к сборке:
Новый чип припаян и готов работать:
Чтобы микросхемы чипсетов, графические процессоры и центральные процессоры успевали отрабатывать свой ресурс и не ломались раньше, чем могли бы, следует обеспечить правильное функционирование системы охлаждения ноутбука.
Поэтому замена таких микросхем всегда выполняется вместе с профилактикой, ремонтом, модернизацией или заменой системы охлаждения.
Автор: Дмитрий Хуторной