Отличительной особенностью электронных технологий является всё большее уплотнение монтажа радиокомпонентов и микросхем, что стало причиной появления корпусов типа BGA. При их пайке обрабатывается сразу несколько контактных ножек и площадок, располагаемых под днищем цифрового контроллера или небольшого по размерам чипа.

Подобная микроминиатюризация зачастую оборачивается известными неудобствами, вызванными сложностью ремонта (пайки) элементов, размещённых в корпусе BGA. При обращении с ними действовать следует очень аккуратно, соблюдая определённые предосторожности и рекомендации. Таким образом, BGA пайка предполагает хорошо продуманную методику обработки контактов микросхем известного класса.

Необходимость в этой процедуре возникает в случаях, когда требуется заменить сгоревшую микросхему, предварительно выпаяв её с посадочного места. Ещё один вариант необходимости в таких операциях – самостоятельное изготовление печатных плат, содержащих корпуса BGA типа.

Для работы по методу BGA потребуется следующий инструмент и материал:

• паяльная станция, оснащённая термофеном;
• удобный в обращении пинцет;
• специальная паяльная паста и фирменный флюс;
• трафарет для нанесения паяльной пасты с учётом дальнейшего позиционирования корпуса;
• липкая лента или экранная оплётка для удаления припоя.

В отдельных случаях для этих целей может использоваться специальный отсос, позволяющий удалить старый припой.

Для качественной пайки BGA-корпусов очень важна предварительная подготовка посадочного места (его ещё называют «рабочей областью»). Достичь требуемого результата поможет знакомство с основными технологическими особенностями этого процесса.

Особенности работы

Для того чтобы БГА пайка получилась высококачественной – нужно побеспокоиться о приобретении хорошего трафарета или маски, при выборе которых рекомендуется соблюдать следующие условия:

• наличие в маске специальных термических зазоров (термопрофиля);
• небольшие размеры трафарета и удобная для наложения структура;
• желательно, чтобы при изготовлении трафарета применялись лазерные технологии.

Особенностью изделий китайского производства является неудобство работы с многослойными чипами, при наложении на которые и последующем нагреве маска начинает прогибаться. При значительных размерах самого трафарета он при этом начинает отбирать тепло на себя, что также может повлиять на эффективность BGA пайки. Для устранения этого эффекта придётся увеличить время прогрева контактов, однако вместе с тем возрастает риск термического повреждения изделия. Всё сказанное относится лишь к трафаретам, полученным методом химического травления.

Вот почему при выборе маски следует исходить из возможности приобретения образца с термическими швами, подготовленными по технологии лазерной резки. Изделия этого класса гарантируют получение высокой точности ориентации контактных площадок (с отклонением не более 5-ти микрометров).

При рассмотрении особенностей пайки корпусов чипов нельзя не коснуться такого важного для данного процесса понятия, как реболлинг. В профессиональной практике под ним подразумевается процедура восстановления контактных площадок электронных BGA-компонентов посредством микроскопических паяльных шариков.

Демонтаж корпусов

Перед началом демонтажа старой микросхемы следует нанести небольшие штришки по краям её корпуса каким-либо острым предметом (скальпелем, например). Указанная процедура позволяет зафиксировать местоположение электронного компонента, что существенно облегчит его последующий монтаж.

Для удаления неисправного элемента удобнее всего воспользоваться термическим феном, которым можно будет прогревать все ножки одновременно (без угрозы повреждения уже сгоревшего чипа).

В режиме демонтажа BGA температура прогрева зоны пайки не должна превышать 320-350 градусов.

Вместе с тем скорость воздушной струи выбирается минимальной, что исключит расплав находящихся поблизости контактов мелких деталей. В процессе разогрева ножек фен следует располагать строго перпендикулярно к поверхности обработки. В случае, когда полной уверенности в неисправности удаляемой детали нет – для сохранения её в рабочем состоянии поток струи следует направлять не в центральную зону, а на периферию корпусной части.

Такая предусмотрительность позволяет уберечь кристалл микросхемы от перегрева, к которому особо чувствительны чипы памяти любой компьютерной техники.

После примерно минутного разогрева необходимо осторожно поддеть BGA микросхему за один из её краёв пинцетом, а затем слегка приподнять над монтажной платой. При этом желательно ограничивать прикладываемое усилие, чётко отслеживая момент отпаивания каждой из контактных площадок.

Нарушение этого требования может привести к повреждению посадочных «пятачков» микросхемы, которые являются частью проводящих дорожек монтажной платы.

При резком разовом усилии не до конца отпаянная ножка обязательно потянет за собой эту площадку, а вместе с ней – и всю дорожку. В результате такой неосторожности можно окончательно повредить восстанавливаемую материнскую плату.

Плата и микросхема после отпайки

Очистка и обработка флюсом

Для соблюдения технологии пайки корпусов BGA в домашних условиях необходимо ознакомиться с особенностями подготовки посадочного места к работе. При этом следует исходить из того, что в зоне пайки не должно оставаться даже микроскопических остатков удалённого припоя. Для выполнения этого требования удобнее всего воспользоваться качественным BGA флюсом, изготовленным на основе спирта и небольшого количества канифоли.

Но прежде необходимо избавиться от крупных частиц припоя, нередко остающихся в посадочных отверстиях или между контактными площадками (дорожками). Для этого удобнее всего воспользоваться медной экранной оплёткой, накладываемой на очищаемую зону и прогреваемую не очень мощным паяльником.

Нанесение спиртоканифоли

Для окончательной очистки от всего постороннего «мусора» подойдёт разведённая на спирту жидкая канифоль, которая сначала наносится на зону пайки, а затем прогревается обычным паяльником. По завершении сборки остатков припоя площадка для микросхемы тщательно промывается тем же спиртом или любым подходящим для этих целей натуральным растворителем.

Плата и микросхема после отмывки

Позиционирование и припаивание

При установке микросхемы на своё «рабочее» место в первую очередь необходимо следить за состоянием наложенной маски (трафарета). В случае её повреждения припой легко растекается и попадает на соседние площадки. Ещё одним условием получения отличного результата является применение качественного флюса для пайки BGA, для которого рекомендуется использовать так называемый безотмывочный состав.

Правильное позиционирование монтируемой без маски микросхемы с большим количеством ножек (процессора, например) предполагает следующий порядок установочных операций.

Сначала микросхему переворачивают выводами вверх, а затем аккуратно прикладывают к посадочной зоне таким образом, чтобы её края совпадали с местом расположения паяльных шаров. Затем на этой области посредством иголки обозначают границы корпуса монтируемого чипа.

Сразу вслед за этим можно будет вернуть чип в нормальное положение и зафиксировать на расплавленных паяльником или феном шариках сначала одну из его сторон, затем – смежную грань, расположенную под углом 90 градусов. По завершении их фиксации необходимо убедиться в том, что ножки с двух оставшихся сторон располагаются точно над предназначенными для их запайки установочными шариками. В том случае, если все предыдущие операции выполнены строго по инструкции – каких-либо проблем с установкой корпуса BGA на своё место, как правило, не возникает.

Качественной пайке помогут: во-первых, действующие на этом уровне силы поверхностного натяжения жидкого припоя, а во-вторых – использование специальной паяльной пасты для BGA. Пасту используют вместо припоя, равномерно распределяя по области пайки (трафарету). В домашних условиях ее удобно наносить пластиковой картой.

Процедуру пайки BGA корпусов следует отнести к разряду профессиональных работ, требующих специального обучения. В связи с этим перед тем, как проверить на практике приобретённые ранее навыки специалисты советуют потренироваться на старых платах.

Технология пайки корпусов BGA в домашних условиях

Статья публикуется с разрешения ее автора - Рыженко Юрия ([email protected]) и дает советы по "бытовому" подходу к вопросу съема и реболлинга чипов BGA в домашних условиях для единичных случаев ремонта. В последнее время в современной электронике наблюдается тенденция к все большему уплотнению монтажа, что, в свою очередь, привело к появлению корпусов типа BGA. Размещение выводов под корпусом микросхемы позволило разместить много выводов в небольшом объеме. Во многих современных электронных устройствах применяются микросхемы в таких корпусах. Однако наличие этих микросхем несколько усложняет ремонт электронной аппаратуры - пайка требует большей аккуратности и знания технологии. Здесь я поделюсь собственным опытом работы с такими микросхемами. Благодарю за помощь инструментами, материалами и, конечно же, за бесценные советы - Владимира Петренко (UA9MPT) и Дмитрия Монахова (RA9MJQ).
А так же за полезные дополнения после выпуска странички: Матроскина из Великого Новгорода

Для работы потребуются:

• Паяльная станция с термофеном (я использую китайскую SP852D+)
• Паяльная паста
• Шпатель для нанесения паяльной пасты (не обязателен)
• Трафарет для нанесения паяльной пасты на микросхему
• Флюс (например Interflux IF8001). Известны случаи когда с использованием флюса ЛТИ плата не подавала признаков жизни, а с нормальным флюсом - все работало нормально
• Оплетка для снятия припоя
• Пинцет
• Изолента (лучше применять малярную бумажную ленту, не оставляет липких следов на чипе)

Ну и собственно сам процесс...

1. Объект ремонта выглядит так:
2. Прежде, чем отпаивать микросхему, нужно сделать риски на плате по краю корпуса микросхемы (если на плате нет шелкографии, показывающей её положение), для облегчения последующей постановки чипа на плату.

   Температуру воздуха фена ставим 320-350°C в зависимости от размера чипа, скорость воздуха - минимальная, иначе посдувает мелочевку припаяную рядом. Фен держим перпендикулярно плате. Греем примерно минуту. Воздух направляем не по центру, а по краям, как бы по периметру. Иначе есть вероятность перегреть чип. Особенно чувствительна к перегреву память. После чего поддеваем микросхему за край и поднимаем над платой. Самое главное не прилагать усилий - если припой не полностью расплавился есть риск оторвать дорожки.
   

   
   
3. После отпайки плата и микросхема выглядят так:

   

4. Если теперь из любопытства нанести флюс и погреть, то припой собереться в неровные шарики:
   Соответственно опять те же плата и микросхема:

   Наносим спиртоканифоль (при пайке на плату пользоваться спиртоканифолью нельзя - низкое удельное сопротивление), греем и получаем:

   

   После отмывки выглядит так:

   

   Теперь то же самое проделаем с микросхемой и получиться так:

   

   Очевидно, что просто припаять эту микросхему на старое место не получиться - выводы явно требуют замены.

5. Очищаем от старого припоя платы и микросхемы:
   При использовании оплетки есть вероятность оторвать "пятаки" на плате. Хорошо очищается просто паяльником. Я очищаю оплеткой и феном. Весьма важно не повредить паяльную маску, иначе потом припой будет растекаться по дорожкам.

   

Теперь самое интересное - накатка новых шаров (реболлинг).

Можно применить готовые шары - они просто раскладываются на контактные площадки и плавятся, но представьте себе сколько времени займет раскладывание ну например 250 шаров? "Трафаретная" технология позволяет получать шары намного более быстрее и также качественно.

Очень важно иметь качественную паяльную пасту. На фото виден результат нагрева небольшого количества пасты. Качественная сразу же превращается в блестящий гладкий шарик, некачественная распадется на множество мелких шариков.



Некачественной пасте не помогло даже смешивание с флюсом и нагрев до 400 градусов:



Микросхема закрепляется в трафарете:



Затем шпателем или просто пальцем наносится паяльная паста:



После чего, придерживая пинцетом трафарет (он при нагреве будет изгибаться), расплавляем пасту:
Температура фена - максимум 300°, фен держим перпендикулярно. Трафарет придерживаем до полного застывания припоя.

Обращаем ваше внимание, что автор статьи использует трафареты китайского производства, на которых несколько чипов собраны на одной большой заготовке. Это приводит к тому, что трафарет при нагреве начинает изгибаться. Кроме того, из-за большого размера панели, она начинает отбирать тепло при нагреве (эффект радиатора), что увеличивает время прогрева чипа. Это может отрицательно сказаться на его работоспособности.

Еще одни существенным недостатком таких панелей является то, что они сделаны химическим травлением, а не лазерной резкой, из-за чего их отверстия имеют форму часового стеклышка. Через такой трафарет паста наносится не так легко, как через трафарет, сделанный лазерной резкой, где апертуры имеют вид конуса (вспомните куличики в песочнице, их проще делать ведром с конусообразным наклоном стенок, чем ведром в форме цилиндра, сплюснутого посередине).

BGA (B all G rid A rray ) - матрица из шариков. То есть это тип микросхем, которые вместо выводов имеют припойные шарики. Этих шариков на микросхеме могут быть тысячи!

В наше время микросхемы BGA применяются в микроэлектронике. Их часто можно увидеть на платах мобильных телефонов, ноутбуков, а также в других миниатюрных и сложных устройствах.

В ремонтах телефонов бывает очень много различных поломок, связанных именно с микросхемами. Эти BGA микросхемы могут отвечать за какие-либо определенные функции в телефоне. Например, одна микросхема может отвечать за питание, другая – за блютуз, третья – за сеть и тд. Иногда, при падении телефона, шарики микросхемы BGA отходят от платы телефона и у нас получается, что цепь разорвана, следовательно – телефон теряет некоторые функции. Для того, чтобы поправить это дело, ремонтники или прогревают микросхему, чтобы припойный шарик расплавился и опять “схватился” с контактной площадкой на плате телефона или полностью демонтируют микросхему и “накатывают” новые шарики с помощью трафарета. Процесс накатывания шаров на микросхему BGA называется реболлинг. На российских просторах этот термин не прижился и у нас это называют просто “перекаткой”.

Подопытным кроликом у нас будет плата мобильного телефона.

Для того, чтобы легче было отпаивать “вот эти черные квадратики” на плате, мы воспользуемся или в народе “нижним подогревом”. Ставим на нем температуру 200 градусов по Цельсию и идем пить чай. После 5-7 минут приступаем парировать нашего пациента.

Остановимся на BGA микросхеме, которая попроще.

Теперь нам надо подготовить инструменты и химию для пайки. Нам никак не обойтись без трафаретов для различных BGA микросхем. Те, кто серьезно занимается ремонтами телефонов и компьютерной техники, знают, насколько это важная вещь. На фото ниже предоставлен весь набор трафаретов для мастера по ремонту мобильных телефонов.

Трафареты используются для “накатывания” новых шаров на подготовленные BGA микросхемы. Есть универсальные трафареты, то есть под любые BGA микросхемы. А есть также и специализированные трафареты под каждую микросхему. В самом верху на фото мы видим специализированные трафареты. Внизу слева – универсальные. Если правильно подобрать шаг на микросхеме, то можно спокойно накатать шары на любой из них.

Для того, чтобы сделать реболлинг BGA микросхемы, нам нужны также вот такие простые инструменты и расходные материалы:

Здесь всем вам знакомый Flux-off. Подробнее про него и другую химию можно прочесть в статье Химия для электронщика . Flus Plus, паяльная паста Solder Plus (серая масса в шприце с синим колпачком) считается самой лучшей паяльной пастой в отличие от других паст. Шарики с ней получаются как заводские. Цена на такую пасту дорогая, но она того стоит. Ну, и конечно, среди всего прочего барахла есть также ценники (покупайте, чтобы они были очень липкие) и простая зубная щетка. Все эти инструменты нам понадобятся, чтобы сделать реболлинг простой BGA микросхеме.

Для того, чтобы не спалить элементы, расположенные рядом, мы их закроем термоскотчем.

Смазываем обильно микросхему по периметру флюсом FlusPlus

И начинаем прогревать феном по всей площади нашу BGA

Вот здесь и наступает самый ответственный момент при отпаивании такой микросхемы. Старайтесь греть на воздушном потоке чуть меньше среднего значения. Температуру повышайте буквально по пару градусов. Не отпаивается? Добавьте немного жару, и главное НЕ ТОРОПИТЕСЬ! Минута, две, три… не отпаивается… добавляем жару.

Некоторые ремонтники любят трепаться “хахаха, я отпаиваю BGАшку за считанные секунды!”. Отпаивают то они отпаивают, но при этом не понимают, какой стресс получает отпаиваемый элемент и печатная плата, не говоря уже о близлежащих элементах. Повторю еще раз, НЕ ТОРОПИТЕСЬ, ТРЕНИРУЙТЕСЬ НА ТРУПАХ. НЕ ТОРОПИТЕСЬ срывать не отпаянную микросхему, это вам выйдет боком, потому как оборвете все пятаки под микросхемой! Пользуйтесь специальными устройствами для поднятия микросхем. Их я находил на Али по этой ссылке.

И вот мы греем феном нашу микросхему

и заодно проверяем ее с помощью экстрактора для микросхем. Про него я писал еще в статье.

Готовая к поднятию микросхема должна “плавать” на расплавленных шариках, ну скажем… как кусочек мяса на холодце. Притрагиваемся легонько к микросхеме. Если она двигается и опять становится на свое место, то аккуратненько ее поднимаем с помощью усиков (на фото выше), Если же у вас такого устройства нет, то можно и пинцетом. Но будьте предельно осторожны! Не прикладывайте силу!

В настоящее время существуют также вакуумные пинцеты для микросхем такого рода. Есть ручные вакуумные пинцеты, принцип действия у которых такой же, как и у Оловоотсоса

а есть также и электрические

У меня был ручной пинцет. Честно говоря, та еще какашка. Закоренелые ремонтники используют электрический вакуумник. Стоит только приблизить такой пинцет к микросхеме BGA, которая уже “плавает” на расплавленных шариках припоя, как он тут же ее подхватывает своей липучкой.

По отзывам, электрический вакуумный пинцет очень удобен, но мне все-таки не довелось его использовать. Короче говоря, если надумаете, то берите электрический.

Но, вернемся все-таки к нашей микросхеме. Крохотным толчком я убеждаюсь, что шарики действительно расплавились, и плавным движением вверх переворачиваю BGA микросхему. Если рядом много элементов, то идеально было бы использовать вакуумный электрический пинцет или пинцет с загнутыми губками.

Ура, мы сделали это! Теперь будем тренироваться запаивать ее обратно:-).

Вот и начинается самый сложный процесс – процесс накатывания шариков и запаивания микросхемы обратно. Если вы не забыли – это называется перекаткой . Для этого мы должны подготовить место на печатной плате. Убрать оттуда весь припой, что там остался. Смазываем все это дело флюсом:

и начинаем убирать оттуда весь припой с помощью старой доброй медной оплетки. Я бы посоветовал марку Goot wick . Эта медная оплетка себя очень хорошо зарекомендовала.

Если расстояние между шариками очень малое, то используют медную оплетку. Если расстояние большое, то некоторые ремонтники не прибегают к медной оплетке, а берут жирную каплю припоя и с помощью этой капельки собирают весь припой с пятачков. Процесс снятия припоя с пятачков BGA – очень тонкий процесс. Лучше всего на градусов 10-15 увеличить температуру жала паяльника. Бывает и такое, что медная оплетка не успевает прогреться и вырывает за собой пятачки. Будьте очень осторожны.

и зашкуриваем с помощью простой зубной щетки, а еще лучше ватной палочкой, смоченной в Flux-Off.

Получилось как то так:

Если присмотреться, то видно, что некоторые пятачки я все таки оборвал (внизу микросхемы черные круги, вместо оловянных) Но! Не стоит расстраиваться, они, как говорится, холостые. То есть они не никак электрически не связаны с платой телефона и делаются просто для надежности крепления микросхемы.

И вот начинается самое интересный и сложный процесс – накатывание шаров на микросхему BGA. Кладем подготовленную микросхему на ценник:

Находим трафарет с таким же шагом шаров и закрепляем с помощью ценника микросхему снизу трафарета. Втираем в отверстия трафарета с помощью пальца паяльную пасту Solder Plus. Должно получиться как-то вот так:

Держим с помощью пинцета одной рукой пинцет, а в другой фен и начинаем жарить на температуре примерно 320 градусов на очень маленьком потоке всю площадь, где мы втирали пасту. У меня не получилось сразу в двух руках держать и фотоаппарат и фен и пинцет, поэтому фотографий получилось маловато.

Снимаем готовую микросхему с трафарета и смазываем чуть флюсом. Далее пригреваем феном до расплавления шаров. Это нам нужно, чтобы шарики ровнёхонько стали на свои места.

Смотрим, что у нас получилось в результате:

Блин, чуточку коряво. Одни шарики чуть больше, другие чуть меньше. Но все равно, это нисколько не помешает при запайке этой микросхемы обратно на плату.

Чуточку смазываем пятаки флюсом и ставим микросхему на родное место. Выравниваем края микросхемы с двух сторон по меткам. На фото ниже только одна метка. Другая метка напротив нее по диагонали.

И на очень маленьком воздушном потоке фена с температурой 350-360 градусов запаиваем нашу микрушку. При правильной запайке она должна сама нормально сесть по меткам, даже если мы чуток перекосили.

Где ключ у BGA микросхемы

Давайте разберем момент, когда мы вдруг забыли, как ставится микросхема. Думаю, у всех ремонтников была такая проблема;-). Рассмотрим нашу микрушку поближе через электронный микроскоп . В красном прямоугольнике мы видим кружок. Это и есть так называемый “ключ” откуда идет счет всех шариковых выводов BGA .

Ну вот, если вы забыли, как стояла микросхема на плате телефона, то ищем схему на телефон (в интернете их пруд пруди), в данном случае Nokia 3110С, и смотрим расположение элементов.

Опаньки! Вот теперь мы узнали, в какую сторону должен быть расположен ключик!

Кому лень покупать паяльную пасту (стоит она очень дорого), то проще будет приобрести готовые шарики и вставлять их в отверстия трафарета BGA.

На Али я их находил целым набором, например .

Заключение

Будущее электроники за BGA микросхемами. Очень большую популярность также набирает технология microBGA, где расстояние между выводами еще меньше! Такие микросхемы перепаивать уже возьмется не каждый). В сфере ремонта будущее за модульным ремонтом. В основном сейчас все сводится к покупке какого-либо отдельного модуля, либо целого устройства. Не зря же смартфоны делают монолитными, где и дисплей и тачскрин уже идут в одной связке. Некоторые микросхемы, да и вообще целые платы заливают компаундом, который ставит на “нет” замену радиоэлементов и микросхем.