Реболлинг для начинающих: как паять микросхемы BGA

Материал обновлён 10.02.2023
Время чтения: 24 минуты

Замена BGA чипов в первую очередь обусловлена выходом их из строя, во вторую - обрывом паяного контакта. Повреждение контактного соединения приводит к тому, что микросхема перестает полностью или частично осуществлять свои функции. Это отрицательно влияет на функционирование самого устройства и может привести к его полному выходу из строя.

Признаки повреждения BGA компонентов:

Причины выхода микросхем из строя:

Причины повреждения шариковых выводов:

Действительно частой причиной повреждения контактов становится простое механическое воздействие. Например, устройство в процессе эксплуатации уронили или оно получило удар при транспортировке или эксплуатации. Часто для ремонта таких повреждений достаточно восстановления шариковых выводов и повторной установки компонента.

Сам процесс восстановления шариковых выводов называется «реболлинг» (от англ. „reballing“).

Операция реболлинга является достаточно востребованной, но далеко не самой простой. Главная ее особенность заключается в том, что качественный реболлинг не сделать, как говорится, «голыми руками». Для этого требуется специальное оборудование, при этом сам мастер должен иметь соответствующие навыки и опыт.

Грубо говоря, все выполняемые ремонтные работы можно разделить на два вида: демонтаж микрочипа и его запайку. Но в начале надо позаботиться о безопасности выполняемых работ.

На некоторых этапах используются химикаты (например, при отмывке платы и компонентов). От них также выделяются испарения. Поэтому необходимо использовать средства личной защиты: очки, респиратор, перчатки.

Следует помнить, что компонентам может нанести вред высокий уровень влажности, резкий перепад температур, а также любые непредвиденные механические воздействия. Поэтому в помещениях для их хранения и в самой мастерской должны быть приемлемые климатические условия. Рабочее же место мастера должно быть удобным, а также оборудовано всем необходимым оборудованием и принадлежностями.

Прежде всего, необходимо извлечь печатную плату с микрочипом, которая находится в устройстве. Корпус надо вскрывать аккуратно, чтобы ни в коем случае не повредить его. Так как в ремонте нуждаются самые разные устройства: телефон, ноутбук, планшет, телевизор, то для их разборки требуется специальный инструмент. Неудобно и ненадежно каждый раз выискивать что-то подходящее из подручных средств для этого. Поэтому хорошим выбором станет универсальный набор инструментов, который поможет аккуратно вскрыть корпус любого современного устройства.

Часто, особенно в мобильных устройствах, можно встретить чипы залитые специальным веществом. Это вещество – специальный компаунд. Он позволяет надежно герметизировать элементы. Под них не попадает случайно пролитая вода, а также не сконденсируется влага. Дополнительно компаунд обеспечивает надёжную фиксацию микрочипа, защищая его контактные соединения от разрыва при вибрации, а также ударах. Однако за всеми этими преимуществами стоит сложность снятия зафиксированных компаундом электронных компонентов.

Как снять BGA микросхему с компаунда? Здесь требуется определенная последовательность операций. Для начала необходимо прогреть печатную плату (PCB – от англ. Printed Circuit Board – электрическая печатная плата) на столе-преднагревателе при температуре порядка 120…150 градусов. Нагрев размягчит компаунд после чего его можно удалить, соскребая деревянным шпателем или зубочисткой.

Удалите компаунд по периметру чипа, а также с прилежащих к нему областей. После этого можно приступать к процедуре нагрева микрочипа и его снятию.

Ремонт начинается с демонтажа электронного компонента с печатной платы. Для удобства ремонтируемую PCB нужно зафиксировать. Для этого можно воспользоваться специальным держателем. Такое приспособление будет удобно даже при обычных ремонтных работах с электроникой. Определится с держателем вы можете, прочитав нашу специальную статью: «Обзор держателей для печатных плат "третья рука"».

Для снятия микросхемы необходимо прогреть припой соединяющий её с PCB до температуры плавления. Для решения этой задачи можно воспользоваться термовоздушной паяльной станцией (ТВ ПС), либо инфракрасной паяльной станции (ИК ПС).

Термовоздушные станции удобны для выполнения большинства операций по BGA и SMD пайке. Эти устройства компактны, просты в эксплуатации и обслуживании. Подробнее о выборе термовоздушных ПС можно прочитать в статье: «Как выбрать термовоздушную паяльную станцию?».

Инфракрасные ПС имеют больший функционал и предназначены для выполнения серьёзных ремонтных работ. Таких, как: пайка процессоров, видеочипов, реболл графического процессора, микрочипов памяти, а также других.

Их ключевые особенности:

Более подробно о преимуществах, а также критериях выбора ИК ПС можно прочесть в наших статьях: «Как выбрать ИК станцию» , «Обзор паяльных станций или как выбрать паяльную станцию», «ТОП ИК станций».

Если микросхема вышла из строя, то при демонтаже можно не сильно беспокоиться о ее перегреве. В такой ситуации важно не повредить саму плату, соседние электронные компоненты, а также пластиковые элементы. Для обеспечения этого надо:

Если предполагается, что компонент не поврежден, то контроль температуры при ее демонтаже очень важен. При использовании термовоздушных фенов выставляют температуру воздушного потока в 300-350 градусов, а на ИК ПС выбирается соответствующий профиль нагрева. В процессе нагрева обязательно выполняют контроль температуры термопарой, пирометром или тепловизором.

Для снятия еще горячего микрочипа, чтобы не обжечься, а также не повредить его при снятии, нужно воспользоваться вакуумным пинцетом.

Перед монтажом микросхемы необходимо подготовить «пятаки» (контактные площадки) находящиеся на PCB. Надо убрать остатки припоя и компаунда. Для начала выставив 150 градусов, прогревают PCB термофеном или на столе преднагревателе. После размягчения компаунда его остатки соскребают деревянным шпателем или зубочисткой. По окончании операции посадочное место очищают изопропиловым спиртом и мягкой щеткой.

После очистки от компаунда приступают к удалению остатков припоя с контактных выводов. Эту операцию называют деболлинг. Для очистки используют паяльник с контролем температуры, например, это может быть паяльная станция YIHUA-852D+.

Для сбора припоя используют медную «косу» (оплетка для удаления припая). Установив на паяльнике температуру в 200…220 градусов прикладывают оплетку и слегка прижимают паяльником. Аккуратно перемещая паяльник собирают в «косу» остатки олова. Ни в коем случае не следует давить паяльником на оплетку. Такими действиями можно легко повредить микросхему.

Как только площадка будет очищена можно приступать к удалению остатки флюса и других загрязнений.

Для облегчения снятия остатков припоя можно пролудить контакты низкотемпературным сплавом Розе.

При запайке старого или донорского чипа его контактные площадки также требуют очистки. Удаление припоя, а также остатков компаунда выполняется по той же технологии, что используется для PCB платы.

Для смывки различных загрязнений можно использовать: деионизованную (без ионов) воду, изопропиловый спирт или ацетон, а также обычную зубную щетку.

После очистки контактов выполняется оценка их состояния. Выявляются дефекты PCB, повреждения её контактных площадок и маски. Для этого необходимо воспользоваться микроскопом (МС).

Наиболее подходящими, для этого, считаются стереоскопические микроскопы. Однако некоторые мастера предпочитают промышленные микроскопы.

К преимуществам стереомикроскопов можно отнести:

Ряд моделей стереомикроскопов выполняются тринокулярными. Это позволяет установить на них камеру и выводить изображение на монитор или записывать видео рабочего процесса.

К достоинствам промышленных микроскопов можно отнести:

Для выбора подходящего именно вам микроскопа ознакомьтесь со следующими статьями: «Как выбрать бинокулярный и тринокулярный стереомикроскоп», «Выбираем промышленный микроскоп» и «Обзор цифровых микроскопов Saike Digital».

При оценке контактов проверяют их состояния, а также необходимость выполнения восстановительных работ, качества пролуженности контактов, а также общее состояние электронного компонента и PCB.

После успешного прохождения проверки можно приступать к реболлингу. Операция состоит из двух основных этапов: «накатки» (наплавления) припоя и собственно припайки микрочипа на PCB. Каждый из этих этапов может быть выполнен с применением различного оборудования, а также по различной технологии.

Для реболла могут использоваться либо специальная паяльная паста, либо оловянно-свинцовый или бессвинцовый припой в виде шариков.

При наплавке часто пользуются трафаретными пластинами, однако даже при их отсутствии также возможно выполнить наплавку.

Чтобы выполнить реболлинг чипа, потребуются дополнительные принадлежности:

Существует два типа трафаретных пластин для «холодной» и «горячей» накатки. Те, что предназначены для «горячей» накатки, не деформируются от температуры, по этому их используют как с пастой для пайки, так и с BGA шариками. Пластины для «холодной» накатки используют только для раскладки шариков по местам. При нагреве они сильно деформируются, что ведет к появлению серьёзных дефектов: непропай, слипание контактов, а также смещению припоя.

Различить их достаточно просто. Трафаретные пластины, применяемые для «горячей накатки» изготавливают в размер чипа или немного больше его. Это позволяет значительно уменьшить термическую деформацию. Все пластины, используемые для «холодной накатки» изготавливаются стандартного типоразмера на 80 мм или 90 мм. Дополнительно они оснащаются отверстиями для фиксации в трафаретодержателе.

Всегда очищайте трафаретные пластины после использования. Это облегчит отделение его от чипа при будущих применениях.

Также трафаретные пластины могут быть специальными или универсальными. Специальные изготавливаются под конкретный чип или его серию. На них выполняется надпись, указывающая для какого микрочипа он предназначен. Например, надпись «PS4 CXD90028G 0.5ММ» говорит нам, что трафарет предназначен для наплавления шариков размером 0,5 мм на чипы серии CXD90028G игровой консоли PlayStation 4.

На универсальных указывают два параметра: диаметр используемых шариков, а также шаг, с которым выполнены отверстия. Однако иногда вместо шага может указываться число отверстий по вертикали и горизонтали. Пример маркировки с указанием шага: «P=1.0 0.6MM». Пример маркировки с указанием числа отверстий: «0.76MM 34*34».

Если вы собираетесь серьёзно заниматься реболлингом, то нужно сразу приобрести крупный набор на 545 предметов. Это позволит вам быстро найти необходимую трафаретную пластину для конкретной микросхемы.

Не пренебрегайте рекомендациями производителя по выбору размера шаров. Используя слишком большой диаметр, вы рискуете получить слипание контактов. При использовании слишком маленьких – получите высокое переходное сопротивление контактов. Это может привести к нестабильному функционированию микрочипа.

Что использовать, паяльную пасту или шары? Здесь всё индивидуально. Каждый мастер выбирает самостоятельно, то с чем ему работать. С чем ему удобнее или к чему уже привык. Давайте обсудим нюансы использования каждого материала.

Любой припой можно приобрести в различном объеме. Паста для пайки может поставляться как в 35…50 граммовых пинцетах, так и в банках от 20 до 500 грамм. Шары также можно приобрести в различном количестве: от 10 до 250 тысяч каждого размера.

Технология наплавления контактных соединений едина для всех компонентов. Она не зависит от того выполняете вы реболлинг процессора, чипа памяти или же это реболлинг видеочипа. Для эффективного выполнения наплавки требуется только практика. Совершенствовать свои навыки можно на неисправных компонентах. Но для начала разберемся с основами технологии реболлинга.

Пасту для пайки можно использовать при отсутствии шаров подходящего диаметра. При использовании этой технологии нужно контролировать прилегание трафаретной пластины, а также наполненность его ячеек. Не должно быть избытка флюса, а также остатки паяльной пасты не должны находиться на его поверхности.

Ошибки в технологии могут привести к образованию перемычек между контактами, непропаю контактов или выпрыгиванию расплава из ячеек трафарета.

Преимущество шариков – это их строго выверенный диаметр. При их использовании формируются контакты единого размера. Также у них нет срока годности, а это значит, что им не требуется определенных условий хранения, как пастам для пайки. При всем при этом использование шаров значительно ускоряет процесс реболлинга.

В зависимости от используемого трафарета возможны два варианта накатки. Разберем оба.

При горячей накатке шарики BGA наплавляются без снятия трафаретной пластины.

Если трафаретодержатель не имеет площадки для сбора шариков, то разместите его в любой неглубокой емкости. Это позволит вам собрать просыпавшиеся шары и оставив рабочее место в чистоте.

Для выполнения «холодного» наката используют специальные трафаретожердатели со съемной верхней частью, а также трафаретные пластины с единым размером на 80 мм или 90 мм.

«Запекания» шаров можно выполнить на инфракрасных паяльных станциях. В таких установках отсутствует риск их сдувания потоком воздуха.

Такой способ реболлинга достаточно трудоемкий. Его выполняют только шариками. Связано это с тем, что вручную нанести одинаковый объем пасты, даже используя шприц-дозатор, невозможно.

Оптимальный способ «накатки», в отсутствие трафарета, – это ручная раскладка шаров по контактным площадкам. Поверхность микрочипа предварительно покрывают флюсом, а затем используя пинцет, медицинский зонд или зубочистку для размещения по контактным площадкам.

По окончанию раскладки выполняется процедура запаивания. Она аналогична той, что применяется при «холодной» технологии.

Для снятия трафарета можно воспользоваться скальпелем либо тонким пинцетом. Помните, что для этого есть всего несколько секунд (не более 15 секунд с момента прекращения нагрева), пока флюс не застыл. Если же опоздать, то придется вновь прогревать микросхему, чтобы добиться размягчения флюса.

Финальный этап – это припаивание микрочипа на место. Этап является не менее ответственным, а поэтому к нему надо подходить в полном вооружении, – обладая всем необходимым оборудованием и материалами.

Список требуемого оборудования, а также принадлежностей:

Идеальным решением будет использование инфракрасной ПС. Это позволит полностью автоматизировать процесс запаивания, а также обеспечит высокое качество соединения. Однако часть мастеров предпочитают термовоздушные фены или пока не могут позволить себе ИК станцию. В таком случае следует обеспечить соответствующее качество выполняемых работ, а также четкий контроль нагрева.

На этом этапе, для предотвращения возникновения температурных деформаций PCB, нужно использовать предварительные нагреватели. О том, как выбрать предподогреватель можно узнать в статьях: «Как выбрать преднагреватель плат: гайд от Суперайс», а также «Почему так важен предварительный нагрев печатных плат».

Последний этап ремонта выполняется в следующей последовательности:

В процессе припайки обязательно выполняют контроль нагрева чипа при помощи термопары подключенной к мультиметру, токоизмерительным клещам, при помощи инфракрасного пирометра или тепловизора.

Для финальной припайки нужно обязательно применять безотмывочный флюс. Он в процессе нагрева полностью испарится, а не останется между микрочипом и платой. Это предотвратит вероятность развития коррозии контактов, а также возникновения токов утечки.

По окончании под микроскопом припаивания выполняется общая оценка выполненной работы. При отсутствии дефектов, а также повреждений на PCB возвращают выпаянные элементы. Затем выполняют её отмывку и сборку устройства

Далее проводятся проверка и комплексное испытание отремонтированного оборудования.