БГА пайка что это?

Практические приемы пайки BGA элементов.

Зачем нужна пайка BGA.

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 . 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.

Оборудование для пайки BGA

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.

Процесс пайки BGA

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.

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.

Замена BGA. Горячий воздух или ИК лучи?

Как меняется BGA чип. Чем паять? Горячий воздух или ИК лучи?

Выбор паяльной станции

Горячий воздух или ИК излучение?

Вся современная электроника, и ее производство основано микросхемах. Вся вычислительная техника построена на чипах, выполненных в корпусах типа BGA.

Что вообще такое BGA?

BGA: Ball Grid Array — корпус PGA, в котором, вместо контактов штырькового типа используются шарики припоя. Такой тип микросхем предназначен для поверхностного монтажа. Распространен в мобильных процессорах, чипсетах, современных графических процессорах видеокарт компьютеров и ноутбуков. Корпуса BGA так же существуют в нескольких вариантах (видах).

Обзор BGA ИК Станций за 2010 — 2011 год

Итак, выводы этого типа микросхем имеют форму шариков и расположены снизу корпуса, благодаря чему, можно увеличить плотность монтажа (количество размещаемых элементов) на печатной плате. Работа с такими микросхемами требует особого подхода, сейчас поймете почему. Говоря о первичном монтаже (при производстве плат с такими чипами) должно соблюдаться точное совмещение контактов микросхемы с контактной площадкой на плате и равномерное запаивание всех контактов, путем равномерного прогрева. А в случае выпаивания (демонтажа) микросхемы, что опять же усложнено труднодоступностью выводов, нужно равномерный нагрев для отпаивания всех контактов. В обоих случаях должен быть четкий контроль качества процесса пайки.

Руками сделать такую работу теоретически не возможно. Но на практике ремонтники умудряются паять их даже на бытовой газовой плите… Для удобства пайки и демонтажа микросхем типа BGA нужно специальное оборудование благодаря которому можно максимально оптимизировать весь процесс работы с монтажом и демонтажем BGA микросхем. Также все более популярной стала технология пайки с использованием без свинцовых припоев, а в этом случае вопрос соблюдения технологии качественной пайки занимает первое место.

В чем разница пайки свинцовой и бессвинцовой?
При бессвинцовой пайке температура нагрева требуется выше на 30-40 градусов, в отличии от традиционной пайки с использованиес свинец-содержащих припоев. И по этому максимально допустимая рабочая температура для компонентов поверхностного монтажа (SMD и BGA) находится в диапазоне от 250 до 260 градусов.

Основная задача в процессе пайки это аккуратное и быстрое выпаивание элемента без повреждения соседних элементов критичных к перегреву.
Предпочтителен инструмент, который сочетает в себе «низкую» температуру и высокую теплопередачу. При соблюдении всех условий демонтажа в большинстве случаев, невредимой сохраняется и отпаянная микросхема, это особенно полезно, в тех случаях, когда предположение о том, что она являлась причиной неисправности, опровергается.
Теперь о том какие существуют способы нагрева микросхем для пайки и демонтажа.
В локальной пайке и выпаиванию BGA чипов есть два варианта:

Соответственно основанные на этих способах существуют и используются различные типы паяльных станций.
Рассмотрим сначала термо воздушные паяльные станции.
Термо-воздушные станции – устройство бесконтактной пайки, для нагрева паяемых компонентов используется открытый поток нагретого воздуха, который сфокусирован специальным соплом.

Грубо говоря это фен. Так как принцип его работы аналогичен работе обычного фена для высушивания волос. Разница лишь в температуре потока воздуха исходящего из сопла фена. Температура воздуха на выходе такой паяльной станции регулируется от 100 до 480 градусов Цельсия. Еще имеется возможность коррекции воздушного потока.
Термовоздушные станции пайки делятся на 2 способа подачи воздушного потока:

В компрессорных, воздух подается работой диафрагменного компрессора расположенного в корпусе станции.
У турбинных, же в блоке термофена встроен маленький почти бесшумный электрический двигатель с крыльчаткой, который создает нужную величину воздушного потока.
Преимущества таких станций в их компактности, ими можно работать на рабочих местах малой площади.
Особенностью BGA-компонентов является расположение контактов, их выводы, представляющие из себя контактные площадки с шариками припоя, находящиеся под корпусом устанавливаемого на плату компонента, эти контакты недоступны для традиционных паяльных устройств. Поэтому напайка этих компонентов осуществляется сквозным прогревом корпуса.
Разумеется, верхняя часть корпуса микросхему прогревается быстрее, чем шариковые выводы, так как они контактируют с платой, это и затрудняет их нагревание.

Бесконтактная пайка BGA-компонентов на поверхность печатной платы потоком горячего воздуха — процесс эмпирический. Температура воздуха места пайки регулируется двумя основными параметрами: выставленной температурой нагревателя, через который проходит воздух, и скоростью воздушного потока. Интересный факт в том что реальная температура потока воздуха из сопла выставляется приблизительно.

Расстояние от сопла до компонента припаиваемого к плате тоже весьма критично. Если Увеличение скорости потока воздуха снижает рассеивание воздуха на выходе из сопла, но требует повышения температуры нагревателя, это понятно, ведь высокая скорость прохождения потока воздуха через нагревательный элемент снижает разогрев воздуха, иными словами он просто не успевает нагреться до нужной температуры.
Из за неточности размеров сопел, особенно в головках для микросхем с большим количеством контактов, подвод тепла к месту пайки происходит не равномерный. Что ведет к увеличению опасности «термотравмы» компонента и печатных проводников на плате.
Различные конструкции паяльных станций для пайки и демонтажа горячим воздухом предполагают различные степени и способы контроля параметров термо инструментов — температуры воздуха, нагнетаемого в сопло фена и его количества, подаваемого в единицу времени.

У самых примитивных моделей нет обратной связи и можно лишь визуально наблюдать за поведением припоя в рабочем пространстве, и иметь представление о тепловой картине места пайки, глядя на положение регуляторов нагревательного прибора. Зато эти стации достаточно дешевые, спектр их применения ограничен. Основное их предназначение это демонтажные операции, в которых не требуется идеально точного соблюдения термо режима. Станции имеющие четкий контроль и стабилизацию температуры самые дорогие в своем классе. Они также имеют индикацию в реальном времени температуры воздуха на выходе фена, имеют индикатор давления воздушного потока.
Теперь рассмотрим следующий вид станций это инфракрасные паяльные станции.
Они основаны на излучении инфракрасных волн от нагревательного элемента, вместо потока горячего воздуха.

Механизмом генерации тепла, используемым ИК станциях, является излучение. ИК-волны диапазона 2-8мкм, лучшее в смысле соотношения отражаемой и поглощаемой тепловой энергии: видимые ИК волны не пригожи для процесса пайки, так как они перегревают темные поверхностей и не прогревают блестящие выводы микросхем.
На таких станциях можно выполнять операции пайки и демонтажа компонентов, имеющих размеры от 10мм до 60мм. Среди них микросхемы в корпусах различного типа BGA, CSP, PGA, SOIC, QFP, PLC. Можно также ее использовать для локальной пайки группы компонентов на ограниченном участке монтажной платы. Размеры прямоугольной зоны нагрева задаются органами регулировки окна верхнего излучателя.
В принципе, оба способа: термовоздушный и ИК, имеют корни из технологий групповой пайки в печах плавления. Но при задачах ремонтной (локальной) пайки совершенно иная потребность. Если в случае с печью, которая должна обеспечить равномерный нагрев по всей поверхности платы, то ремонтная станция — только в отдельной области платы, при этом не подвергать соседние элементы термическому воздействию.
Лучшим решением для локальных ремонтных работ особенно с BGA, предпочтительна именно инфракрасная технология.
В местах первичного контакта струи воздуха с плоскостью, температура выше, чем зонах оттока «отработавшего» воздуха. Чтобы снижать завихрения, приходится замедлять поток воздуха, но это приводит к недостаточному переносу тепла: ведь неподвижный воздух является теплоизолятором!
Достаточно рассмотреть эти термограммы, это пятна нагрева плоскости корпуса BGA.

Горячий воздух сопло2 Горячий воздух сопло1 ИК-излучатели

ИК излучение имеет большее преимущество перед воздухом, так как это единственный механизм теплопередачи, который позволяет передавать тепловую энергию по всей площади монтируемой микросхемы.
Так как равномерный прогрев больших корпусов BGA воздушным потоком крайне затруднителен, для проведения ремонтной пайки, рекомендуется использовать именно инфракрасные станции.
Главные достоинства технологии инфракрасной пайки:
• равномерный локальный нагрева (самый критичный фактор для BGA)
• отсутствие вероятности сдуть с печатной платы демонтируемый компонент
• нет потребности в приобретении сменных профильных насадок для фена под определенные размеры чипов
• возможна работа компонентами сложного профиля
У многих возникает вопрос: не происходит ли перегрев инфракрасным излучением темных поверхностей BGA микросхем? и хватает ли его тепловой энергии для оплавления припоя светлых выводов микросхем QFP? Нелепо утверждать, что нет разницы в нагреве. Разница есть, но при длине волны 2…8 мкм которая является минимальной в инфра красном — диапазоне, за счет чего и обеспечивается достаточная для качественной пайки равномерность нагрева поверхностей имеющей различную отражающую способность.
Какую выбрать паяльную станцию? Термо воздушную или инфра красную?
Все зависит от Ваших потребностей, что Вам нужно на ней делать. Ремонтировать материнские платы от ноутбуков, или компьютерные материнские платы, а может платы мобильных телефонов. В общем, с платами от мобильников все имеющиеся на рынке паяльные станции от китайских производителей с разной степенью, но справляются. Станции одной ценовой категории, почти идентичны и нелепо обсуждать какая из них лучше, какая хуже. Ремонт материнских плат гораздо удобней производить на инфракрасной паяльной станции. Потому что на таких платах стоят микросхемы больших размеров требующих значительного и главное равномерного прогрева по всей площади.
Соответственно цена инфракрасных станций в разы дороже по сравнению, с термовоздушными.

BGA пайка ноутбуков

Платы ноутбуков, в отличие от плат стационарных компьютеров, отличаются высокой плотностью монтажа и небольшими размерами. А создаваемые для них радиоэлементы значительно более миниатюрны. В целях экономии занимаемого на плате места, в производстве мобильной электроники широко используются микросхемы в корпусах BGA. Это несомненный плюс в плане компактности, поскольку выводы BGA находятся на нижней стороне микросхемы, а значит, не требуют отдельного места. Но если речь идет о ремонте — ввиду таких особенностей, BGA-пайка ноутбуков требует большой аккуратности и профессионализма.

Для чего бывает нужен ремонт BGA

Ремонт микросхем BGA на платах ноутбуков заключается в демонтаже чипа и восстановлении шариковых контактов (реболлинг) на его нижней поверхности. Это обязательно в тех случаях, когда микросхему планируется использовать повторно, потому что в процессе демонтажа контакты практически всегда повреждаются.

Реболлинг и пайка BGA — широко распространенные операции, поскольку позволяют восстанавливать работоспособность электроники ноутбука без замены платы целиком. И для клиента эта процедура обходится не так дорого, как, например, установка новой материнки, цена которой обычно составляет не менее половины стоимости ноутбука.

Необходимость в ремонте BGA возникает из-за нарушения паяных контактов микросхем с элементами платы. К подобному часто приводит:

• длительный перегрев ноутбука, который обычно является следствием скопления пыли внутри корпуса;
• перегрев из-за использования ноутбука в нештатном режиме при недостаточном охлаждении;
• частичный отвал BGA-микросхем после удара по корпусу или при падении ноутбука;
• заводской брак — плохой контакт присутствует изначально и проблема проявляется уже в первые недели или месяцы использования машины;
• попадание жидкости на электронные элементы ноутбука, что вызывает электрохимическую коррозию, в том числе и контактов микросхем.

При появлении дефекта пайки, нагрев микросхемы усиливается, из-за чего, вследствие большого перепада температур при остывании, контакты разрушаются еще сильнее. А это приводит к еще большему увеличению площади дефекта. Таким образом, нарушение паяного контакта BGA — прогрессирующая проблема. Кроме прочего, это приводит в негодность и саму микросхему.

Как проявляется неисправность BGA-микросхем

Чаще всего из-за дефекта пайки из строя выходят крупные элементы платы — микросхемы набора системной логики (чипсет, или южный и северный мост) и графический адаптер. Такие неисправности проявляются достаточно ярко, например, при выходе из строя северного моста можно наблюдать следующую картину:

• ноутбук перестает включаться или работает несколько минут и выключается, но при этом индикаторы на корпусе, как правило, горят;
• при старте и работе ноутбука возникают критические ошибки;
• на экране нет изображения, либо оно есть, но с артефактами;
• в процессе работы ноутбука возникают «мертвые» зависания, когда система не реагирует ни на какие действия пользователя до перезагрузки;
• корпус ноутбука значительно нагрет, особенно в проекции северного моста.

Разумеется, чем больше дефект, тем более ярко выражена будет «клиническая» картина. В запущенных случаях повреждения северного моста ноутбук просто не будет включаться.

Начинающийся выход из строя другой крупой BGA-микросхемы — южного моста, проявляется или сочетанием, или, реже, одним из перечисленных симптомов:

• внезапно перестают работать USB-порты;
• не определяются подключенные к ноутбуку устройства;
• полностью отказывают или работают с ошибками мышь, клавиатура и тачпад;
• возникают ошибки или отказ оптического или жесткого дисков;
• не работает звуковая и сетевая карты;
• ноутбук не заряжает батарею, либо показывает неверный уровень заряда;
• возникает сильный нагрев корпуса в проекции южного моста.

Как и в примере с северным мостом, чем сильнее повреждена микросхема, тем ярче проявляет себя неполадка. В тяжелых случаях ноутбук перестает работать.

И, наконец, поломка графического адаптера распознается по следующим признакам:

• артефакты на экране или отсутствие изображения;
• критические ошибки при запуске ресурсоемких программ: игр, особенно 3D, видео, графических редакторов и т.д;
• нагрев корпуса, особенно сильный в районе видеочипа.

Как проводится пайка BGA-компонентов ноутбука

Как говорилось, для пайки BGA необходимо специальное оборудование и материалы: паяльная станция, шариковый припой или паяльная паста, флюсы, трафарет для нанесения припоя на чип, ручной паяльник, оплетка, подготовленная для монтажа BGA-микросхема и т. д.

Основные этапы ремонта BGA

• После нагревания платы до температуры плавления припоя производится демонтаж неисправного элемента.
• Далее выполняется очистка платы от остатков припоя.
• И, после предварительного реболлинга, производится установка на контактные площадки нового чипа.

Ввиду того, что существуют разные методики пайки BGA-микросхем, перед работой необходимо досконально изучить технологию. Поскольку малейшее отступление от правил может необратимо испортить и новый чип, и плату. В нашем сервисном центре к пайке BGA ноутбуков допускаются только профессиональные инженеры с большим практическим опытом. А поэтому брак в работе наших специалистов практически исключен, чего не скажешь о ряде недобросовестных фирм, которые могут злоупотреблять доверием клиентов. Ведь результат некачественной работы может быть виден не сразу, а только спустя несколько недель или месяцев. Поэтому в случае проблем с ноутбуком подходите к выбору сервисного центра очень ответственно.

BGA и SMD монтаж

BGA и SMD монтаж

Ниже представлена блок схема одной из архитектур современного компьютера/ноутбука.

Как можно увидеть из схемы, весь компьютер состоит из нескольких основных центральных блоков (обведены красным): южный мост (ICH10),северный мост (P43), центральный процессор Intel и блок обработки графики (видеокарта). В «железе» эти блоки представляют собой большие, очень сложные интегральные микросхемы (ИС), с огромным количеством выводов.

Как видно на рисунке, выводы таких ИС — шарики припоя, нанесенные на корпус микросхемы, BGA (англ. Ball grid array — массив шариков) — тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем.

Установка такой микросхемы проходит в несколько этапов, микросхему располагают на печатной плате, согласно маркировке ответных контактных площадок на плате, далее зону установки микросхемы нагревают до температуры плавления припоя, силы поверхностного натяжения расплавленного припоя заставляют микросхему зафиксироваться четко над тем местом, где она должна находиться на плате.

Установленная ИС на плату:

Так выглядит ИС на плате в разрезе, видны шары припоя, на которых впаяна ИС и слои меди в плате:

Основное преимущество BGA монтажа – высокая плотность размещения контактов на ИС небольших размеров, вместе с этим это является и самым слабым местом — высокая чувствительность к механическим нагрузкам, будь то вибрационные, ударные, либо же, нагрузки, возникающие в процессе теплового расширения корпуса ИС и платы на которую она впаяна. Вследствии таких воздействий, контакт между шариками припоя и платой нарушается, и устройство перестает работать, проще говоря, шарики отрываются от контактных площадок. Стоит заметить, что некачественный монтаж микросхемы на заводе производителя или в ремонтной мастерской так же может стать причиной нарушения контактов и выхода из строя устройства. В интернете встречаются несколько названий такого дефекта: отвал, недопай, микротрещины в пайке (холодная пайка) и пр.

C помощью оптических приборов, можно собственными глазами увидеть, как выглядят такие дефекты: недопай, холодные трещины.

Устранение такого дефекта пайки возможно при наличии соответствующего оборудования. Проходит в 3 этапа:

1) Демонтаж ИС на специальной инфракрасной или термовоздушной паяльной станции.

2) Нанесение новых шаров припоя, с помощью трафарета и оснастки, с последующим оплавлении в ИК печи.

3) Завершающий этап – установка ИС на плату.

Весь процесс называется реболл, реболлинг, после такой процедуры, как правило, причина неисправности устраняется и устройство вновь готово к эксплуатации. Однако, не всегда реболл по настоящему устраняет дефект, даже если устройство заработало вновь, эффект этот кратковременен. Происходит такое по причине того что дефект кроется не в монтаже, а внутри самого чипа, в таком случае, микросхему нужно только менять.

Почему чип нужно именно менять, подробно описано в следующей статье.

Дефекты пайки BGA корпусов — Эффект «попкорна», «Голова на подушке» , Пустоты — Способы их устранения

Эффект «Попкорна»

Эффект «Попкорна» – это эффект растрескивания микросхем при пайке. Эффект «Попкорна» связан с высокой скоростью нагрева при преодолении точки кипения воды (100 °С) и зачастую определяется качеством и условиями хранения компонентов. Общее правило гласит: чем больше влаги впитал компонент, тем ниже должна быть скорость его нагрева до температуры в 100 °С. Чтобы уменьшить частоту возникновения дефекта, необходимо следить за условиями хранения и просушивать компоненты перед пайкой.

Эффект «голова на подушке»

Доказано, что эффект «голова на подушке» – типичная проблема бессвинцовой паяльной пасты. Возникновение эффекта «голова на подушке» (на фотографии справа) зависит от производителя BGA-корпуса и химического состава пасты. Этот дефект возникает как следствие коробления компонента как после его изготовления (которое иногда называют компланарностью), так и зачастую коробления в процессе плавления. Если компонент смещается даже на несколько тысячных дюйма на этапе оплавления в печи, с большей долей вероятности не получится избежать эффекта «голова на подушке». Этот дефект считается дорогостоящим, поскольку в большинстве случаев его обнаруживают на более позднем этапе — в процессе эксплуатации. Дефект этого типа устраняется путем замены пасты, подбором соответствующего температурного профиля либо при возникновении деформации плоскости – наложением более толстого слоя пасты.

Отладка профиля при короблении плат

Один из способов оплавления, который помогает устранить эффект «голова на подушке», – применение профиля типа «нагрев – выдержка – пик». Для пайки применяется стандартный совместимый со сплавом профиль типа «нагрев – выдержка –пик», однако в начале стадии охлаждения необходимо контролировать ее скорость непосредственно перед достижением сплавом твердого состояния. Выдержка в течение 15–25 секунд при температуре на несколько градусов ниже температуры отверждения, помогает убрать коробление BGA-корпуса, погрузить корпус в расплавленную паяльную пасту и сформировать правильные интерметаллические соединения.

Вышеописанный профиль представляет собой стандартный профиль нагрева и выдержки с дополнительный стадией: тип профиля «нагрев – выдержка – пик – выдержка» (жирная линия).

Образование пустот в паянном соединении контактной площадки и шарика BGA

Еще один дефект, характерный для BGA-корпусов, который является прямым следствием применения бессвинцового сплава, – это образование пустот в паянном соединении контактной площадки и шарика BGA (на фотографии). Этот дефект также связан с химическим составом и типом конструкции платы.

Изменения в конструкции платы помогают избавиться от образования пустот, при этом значительно улучшается производственная технологичность изделия.

Как правило, вероятность появления пустот можно сократить за счет температурного профиля при внесении в него определенных изменений. Однако, если температурный профиль задан параметрами в пределах рабочего диапазона, возможности минимальны. Важнейшая часть разработки профиля – время выдержки. Иногда выдержка в течение 120 секунд способна сократить частоту образования пустот.

Можно попробовать справиться с дефектом, за счет более низкой пиковой температуры. Большое влияние на образование пустот оказывает финишное покрытие платы, а также химический состав пасты. Чем большей паяемостью обладает финишное покрытие платы, чем активней компоненты пасты, тем ниже вероятность образования пустот.

Рекомендации по пайке электронных компонентов типа BGA

Юрий Набатов

Аркадий Сержантов

Анатолий Бекишев

Аркадий Медведев

Страхи по поводу бессвинцовых технологий понемногу уходят в прошлое. Этому способствовало широкое обсуждение проблем смешанных технологий на всевозможных форумах и в печатных изданиях, посвященных печатным платам.

27–28 апреля 2009 г. в Санкт-Петербурге прошла Международная научно-практическая конференция «Совершенствование производства радиоэлектронной аппаратуры с использованием бессвинцовых и смешанных технологий пайки». Центральные доклады о результатах испытаний надежности бессвинцовых и комбинированных паяных соединений [1] прочли специалисты ОАО «Авангард» Н. Н. Иванов и В. Д. Ивин. Конечно, рекомендации по пайке «бессвинцовых» компонентов припоем типа ПОС-61 можно сделать только после завершения работ ОАО «Авангард». Но работающие предприятия до получения окончательных рекомендаций на свой страх и риск принимают индивидуальные решения, чтобы не останавливать текущее производство.

Сложившаяся практика использования импортных компонентов с пайкой оловянно-свинцовыми припоями позволяет сформулировать общие рекомендации по технологии пайки.

1. Все компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки, имеют покрытия, смачиваемые при определенных условиях оловянно-свинцовыми припоями [1]. Мало того, сертификационные центры (вторые поставщики компонентов) проверяют паяемость (смачиваемость) выводов по стандартной методике ГОСТ 28235-89 (МЭК 68-2-54-85) с припоем ПОС-61 и флюсом ФКСп. Значит, здесь проблем возникнуть не может.
2. Теперь уже все убедились, что все компоненты и печатные платы должны к процессу пайки приходить сухими [3]. Это связано с относительно длительным временем пребывания элементов паяного узла в зоне группового нагрева. Это и раньше было актуально, особенно при автоматизированной пайке волной припоя, да и при пайке паяльниками. Особенно влажным летом. Сейчас, при групповых методах пайки, необходимость удалять влагу и хранить компоненты и платы в сухих камерах стала очевидным требованием для предотвращения эффекта типа «попкорн» и дефектов в виде расслоения плат.

На упаковках теперь указывается возможное время пребывания компонентов в распакованном состоянии до пайки. Высушенные платы могут быть использованы в течение одной смены. Если же проводится ручная установка компонентов на плату, то приходится использовать дополнительную сушку до пайки.

1. Гораздо сложнее обстоит дело с компонентами типа BGA с шариковыми выводами из бессвинцовых припоев. Дело в том, что непременным условием качественной пайки BGA-компонентов является расплавление шариков выводов. При температурах групповой пайки оловянно-свинцовыми припоями бессвинцовые шарики выводов не расплавляются полностью (жидко-текучее состояние), что необходимо для «осаживания» корпуса BGA и ориентирования его на монтажном поле платы. Некоторые [2] предлагают варварский способ решения этой проблемы: проводить процесс «реболлинг». Это замена бессвинцовых шариков на оловянно-свинцовые. При этом корпус подвергается воздействию минимум двух термоударов и теряются все гарантированные обязательства на BGA-компоненты.

Более приемлема пайка BGA-компонентов с бессвинцовыми шариками на паяльную пасту на основе оловянно-свинцового припоя. Испытания, проведенные специалистами ОАО «Авангард», подтвердили это. Очевидно, что расплавленный оловянно-свинцовый припой смачивает поверхность шариковых выводов, растекается по их поверхности и образует с ними надежную прочную химическую и металлургическую связь [1]. Внешнее проявление завершения пропая шариковых выводов BGA — диффузия свинца из ПОС по всему объему шарика [1].

1. Тем не менее, термопрофиль пайки (время, температура и т. д.) определяется типом BGA [4]. Хорошо, когда схемотехники и конструкторы учитывают необходимость подбора BGA-компонентов с одинаковым термопрофилем пайки. Но, как правило, они игнорируют требования производства. Тогда при наличии BGA-компонентов с разными циклограммами пайки на плату необходимо первоначально устанавливать только BGA с минимальными температурами пайки. Остальные BGA-компоненты устанавливаются и паяются позже на ремонтном центре типа Martin.
2. Все BGA-компоненты должны храниться в герметично закрытой таре и извлекаться из нее только при наличии полного комплекта компонентов, чтобы время от распаковки до начала пайки было максимально ограничено.

При наличии BGA-компонентов не в герметичной упаковке они должны быть выдержаны в шкафах сухого хранения для извлечения накопившейся влаги и храниться в этих шкафах до использования в сборке.

1. Паять электронные узлы с BGA-компонентами следует в туннельных печах с количеством зон нагрева не менее чем по 8 сверху и снизу и минимум по две зоны охлаждения сверху и снизу. Хорошо, когда на узле отсутствуют «теневые» эффекты.

Минимальный набор задаваемых и поддерживаемых параметров: температура для каждой зоны отдельно, минимальный допуск на поддержание температуры, скорость конвейера, скорость потока горячего газа снизу и сверху, скорость потока холодного воздуха в зоне охлаждения.

1. Но лучшие условия для пайки электронных узлов с разнородными элементами создает технология конденсационной пайки [5]. В конденсационных печах невозможны перегревы, в том числе и локальные, даже при наличии на одной плате совершенно разнородных электронных компонентов по габаритам и массе. Главное их преимущество: температура пайки определяется температурой кипения (конденсации) рабочей жидкости, время — завершением процесса конденсации.
2. Предпочтительное покрытие монтажных поверхностей на плате под пайку — иммерсионное олово с разделительным барьерным слоем из органического металла между оловом и медью, который предотвращает образование интерметаллидов и за счет этого сохраняет паяемость в течение длительного времени (по крайней мере, гораздо более года) [6]. Иммерсионное олово — хорошая альтернатива иммерсионному золоту, которому свойственна непредвиденная потеря паяемости. Это обусловлено высокой температурой процесса осаждения никеля (подслоя) и золота (

85 °С) и избыточной концентрации фосфора в растворе осаждения, а также иногда и из-за остатков тонких пленок на золоте, когда паяльная маска формируется по иммерсионному золоту.

Предложенные читателям рекомендации авторы сформулировали на основании своего опыта в реальном производстве электронных модулей по смешанной технологии. Эти рекомендации не претендуют на «истину в последней инстанции». Но авторы надеются, что они помогут специалистам-технологам осваивать новые процессы и послужат началом обмена опытом в современной сложной обстановке применения компонентов, предназначенных для бессвинцовой пайки, с их пайкой оловянно-свинцовыми припоями с сопутствующими им флюсами.

С согласия редакции авторы предлагают читателям направлять в журнал короткие заметки с критикой предложенных рекомендаций и собственные результаты использования смешанных технологий пайки «бессвинцовых» компонентов.

Предложенные рекомендации одобрены Гильдией профессиональных технологов приборостроения.