Дело о шарах

Ты, наверное, не раз сталкивался с ситуацией, когда, казалось бы, полностью работоспособный компьютер при очередном включении из признаков жизни демонстрировал только вращение вентиляторов. Обычно в домашних условиях в таких случаях снимают боковую крышку и с умным видом передергивают коннекторы шлейфов, переставляют платы расширения. И нередко сии манипуляции помогают! По прошествии некоторого времени хворь опять посещает «домашнего любимца». Повторные шаманские перетыкания помогают с переменным успехом, и системный блок чаще всего оказывается в сервисном центре ближайшей компьютерной фирмы, где система вполне может пройти все тесты. Компьютер возвращают владельцу и круг замыкается. Давай попытаемся разобраться в причинах появления упомянутых странностей.

Анатомия чипсета

Взглянув на первую попавшуюся под руки материнскую плату или видеокарту, даже неискушенный пользователь легко найдет основные компоненты: чипсет (набор системной логики) или GPU. Но не все обращают внимание на то, как эти чипы соединены с материнской платой.

Однажды один из клиентов принес мне материнскую плату с отодранным отверткой северным мостом. На мой вопрос о том, что привело к подобным повреждениям, человек смущенно заявил, что не смог удержаться от искушения «посмотреть, как оно там припаяно, да так, что выводов не видно».
Вряд ли ты станешь проводить подобный эксперимент со своей платой. Потому я помогу удовлетворить твое любопытство.
Если присмотреться, можно заметить сам кристалл. Хорошо видно подложку микросхемы, на которой закреплен кристалл, компаунд, защищающий кристалл и проводники от повреждений. Что, плохо видно?
Графитово-серый прямоугольник по центру — кристалл. Это, по сути, и есть сама микросхема, всё остальное — компоненты, защищающие ее от повреждений и служащие для удобства ее подключения к проводникам на плате. Сразу под ним располагается подложка. Хорошо видны слои металлизации – их четыре. Кристалл окружен компаундом, предназначенным для защиты от механических повреждений и воздействия внешней среды. В толще компаунда можно заметить светлые желтоватые точки. Это проводники (верней, их поперечный срез), соединяющие контактные площадки на кристалле с площадками на подложке. Подложка соединяется с платой с помощью шариков из припоя. Их срез видно под кристаллом — пять металлически-серых «колонн».

Цифрой 1 обозначена плата. Хорошо видно, что она четырехслойная. Цифра 2 — компаунд, что упоминался выше. 3 — подложка микросхемы. По своему устройству она не отличается от материнской платы — тот же многослойный текстолит, те же проводники, вытравленные из фольги. А вот цифрой 4 обозначен предмет моего сегодняшнего сказа — шарики, выполняющие роль проводников микросхемы.

Массив имени Шарикова

После деструктивных методов исследования нам уже ничего не мешает отпаять чип и посмотреть, как выглядит плата под ним. Как это сделать? Доставай из архивов первый номер нашего журнала за этот год и ищи статью о ИК-пайке. Прожектора вполне хватит для снятия моста. Если хочешь снять мост аккуратно и по возможности сохранить шарики-выводы неповрежденными, перед началом прогрева под чип необходимо залить флюс. Для первых экспериментов вполне сойдет и спирто-канифольная смесь, а для более серьезной работы неплохо было бы купить специальный флюс-гель. В качестве примера могу назвать Interflux IF 8300 – он относительно доступен и имеет неплохие характеристики.

Флюс-гель в зависимости от конкретной марки может иметь консистенцию от минерального масла до вазелина, и в некоторых случаях просто так под мост идти не захочет. В случае, когда флюс вязкий, поступай просто — прогрев плату градусов до шестидесяти-ста градусов, с помощью шпателя или скальпеля помещай небольшие комочки флюса по краям чипа. Он будет плавиться и затекать под чип. Для равномерного распределения флюса наклоняй и покачивай плату до тех пор, пока не убедишься, что он заполнил все пространство под чипом. Излишки можно промокнуть бумажной салфеткой или туалетной бумагой.
Перед нагревом крайне желательно ограничить зону нагрева с помощью пищевой фольги или металлизированного скотча. Ее ширина должна быть примерно на сантиметр-два больше, нежели ширина чипа.
Температура плавления свинецсодержащих припоев примерно 200-215 градусов Цельсия, бессвинцовых — 230-250. Температуру повышай плавно, плату сжечь легко. Определить момент начала плавления припоя просто — просто покачай пинцетом SMD детали, что приютились возле моста. Если уж они отпаялись, то мост и подавно. Снять чип можно специальной присоской или соорудить из жести съемник.Поверхностное натяжение припоя весьма велико, и аккуратно оторвать чип от платы может оказаться не так-то и легко.

Такой тип выводов называется BGA — Ball Grid Array. В свободном переводе эта аббревиатура может звучать как «решеткоподобный массив шариков». Зачем же изобрели столь хитрый и, на первый взгляд, трудоемкий способ пайки микросхем? В первую очередь, BGA-микросхемы позволяют достичь заметно большего количества выводов на единицу площади чипа при их малой длине по сравнению с микросхемами, имеющими обычные (ленточные) выводы. Уменьшение длины выводов позволяет снизить взаимные наводки и емкость между ними, что, в свою очередь, позволяет достичь более высоких рабочих частот устройства. Во-вторых, BGA-микросхема имеет лучшее охлаждение за счет отвода части тепла посредством выводов в плату.
Недостатки подобного конструктива являются продолжением его достоинств. Массивные, негибкие выводы при механических или тепловых деформациях платы нередко отрываются от контактных площадок. А расположение выводов под чипом затрудняет контроль качества пайки.
Вот мы и нашли объяснение симптомам, описанным в начале статьи. На профессиональном жаргоне ремонтников это называется «отвал чипа». Несколько выводов оторвались от контактных площадок на плате вследствие деформации платы или перегрева чипа. При передергивании шлейфов или плат расширения материнская плата слегка деформируется, контакт временно восстанавливается. Подобный цирк может длиться достаточно долго – до тех пор, пока контактные площадки не окислятся окончательно или чип не выйдет из строя. В некоторых случаях временно восстановить работоспособность платы можно, сильно нажав на чип.

Возвращаем шары не место

С теорией вроде разобрались. А как же практика? Что можно предпринять в случае, описанном выше? Если снимать мост без флюса, шарики-выводы вытягиваются за счет поверхностного натяжения и принимают форму пирамидок, что и видно на фото чипа в центре. Если контакт между шариком и контактной площадкой на чипе был нарушен, чаще всего вывод будет выглядеть как в случае, обозначенном цифрой 1. Он хорошо лудится тонким паяльником. Вывод, обозначенный цифрой 2, выглядит заметно аккуратней, но вот лудится он из рук вон плохо. Это не удивительно — он окислен. Предположительно, причиной окисления является или заводской брак при изготовлении чипа, или несоблюдения технологии пайки при монтаже платы.
Восстановить нарушенный контакт между шариками и контактными площадками на плате или подложке чипа весьма просто. В промежуток между чипом и платой заливаем флюс – как это сделать, я уже писал выше. После этого постепенно прогреваем плату до температуры плавления припоя. Для восстановления контакта можно аккуратно пошевелить чип пинцетом (смещение должно быть около 1 мм). Не бойся сдвинуть его с места — поверхностное натяжение не даст этого сделать. После прогрева охлаждаем плату и проверяем ее работоспособность. 100% эффекта я не обещаю, но примерно половина плат подлежит восстановлению описанным выше способом.
А вот оставшиеся «тяжелые пациенты» столь простым методом не восстановить. Ведь контактные площадки на подложке чипа могут быть окислены. И в этом случае поможет только замена чипа на другой или восстановление шариков-выводов — реболинг.

Реболинг

Это слово, как правило, используют ремонтники мобильных телефонов, которые по долгу службы вынуждены сталкиваться с монтажом BGA-микросхем очень часто. У них же мы и одолжим технологию замены шариков-выводов BGA-микросхем.
Прежде всего с отпаянной микросхемы с помощью паяльника удаляются остатки шариков. Окисленные выводы, при наличии таковых, аккуратно залуживаются. Микросхема промывается спиртом или жидкостью для смывки флюса, и можно приступать непосредственно к реболингу. Эта процедура не отличается особой сложностью, но вот используемые приспособления и материалы ты, возможно, еще не встречал.
Основным приспособлением для реболинга является трафарет. Изготовляется он из нержавеющей стали толщиной около 0.5 мм. Отверстия и пазы в шаблоне вырезаны с высокой точностью с помощью лазера, что и обуславливает его немалую стоимость (от $75). Чип закрепляется на трафарете с помощью уголков 3 и винтов 4. Так называемая BGA-паста (в шприце, цифра 5) наносится на трафарет и втирается в отверстия пластиковым шпателем 1. BGA-паста представляет собой порошок припоя, смешанный с флюсом.
После нанесения пасты трафарет помещается на подогреватель. После прогрева до температуры примерно 180 градусов по Цельсию паста нагревается с помощью термофена до температуры плавления припоя (примерно 210 градусов). Припой, входящий в состав BGA-пасты, плавится и образует шарики-выводы.
После остывания трафарета его необходимо отмочить в спирто-бензиновой смеси, так как остатки флюса весьма крепко удерживают чип. После снятия чипа с трафарета и отмывки можно лицезреть ровные ряды шариков (сравни с фотографией снятого моста выше).
Возможно, эта картинка не затронула твои фибры души, но надо было посмотреть на меня, когда я первый раз зареболил свой первый чип! Недаром ремонтники говорят, что освоение BGA-операций – это определенный этап в становлении мастера!

Припаять мост обратно уже легче. Для этого паяльником снимаем остатки припоя с контактных площадок на плате и промываем ее жидкостью для смывки флюса. После промывки наносим свежий флюс. Делаем это без фанатизма — пузырьки кипящего флюса могут приподнять чип и помешать нормальной пайке.
При установке чипа обрати внимание на то, где находится первый вывод — в своей практике я припаял не один мост «шиворот навыворот». Особой точности при установке чипа не нужно, достаточно, чтобы шарики слегка касались площадок на плате. Поверхностное натяжение выровняет чип лучше любых манипуляторов.
Обычно мощности подогревателя хватает для того, чтобы припаять BGA-чип, но во избежание перегрева платы лучше ему «помогать» термофеном. В зависимости от специфики чипа, свойств текстолита и типа припоя режим нагрева может быть разным. В большинстве случаев термопрофиль выглядит так: плата с уже установленным мостом с помощью подогревателя на протяжении 5-6 минут нагревается до 180 градусов. После этого интенсивность подогрева увеличивается с таким расчетом, чтобы плата прогрелась до температуры плавления выводов чипа. Одновременно с этим греем чип сверху термофеном. Начало плавления шариков-выводов заметить несложно — мост немного сдвинется с места и займет правильное положение.

Когда все шарики на месте

Вполне вероятно, что ты не будешь применять мои сегодняшние рекомендации на практике. Ведь не всем нужно покупать специализированное паяльное оборудование, трафареты, паяльные пасты и прочее только для того, чтобы отремонтировать свою ненаглядную безвременно почившую материнку. Но вот на увещевания сервисников о сложности и чрезвычайной дороговизне BGA-операций ты сможешь ответить со знанием дела и фактами на руках. И объяснить причину «вселения злого духа» в компьютер соседки тебе будет вполне по силам.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *