Reball alias překuličkování BGA IC

20.6.2011

Know-how i technologicky nejnáročnějším servisním úkonem souvisejícím s reworkem BGA IC je reballing neboli překuličkování. Dále popsané zkušenosti a postřehy jsou čistě mé osobní, tzn.nemusí být obecně uplatnitelné a žádným způsobem neručím za případné škody vzniklé při jejich převzetí. Článek je pojatý jako komplexní návod pro překuličkování IC, tzn.včetně odpájení z PCB, přípravy pájecích plošek, vlastního překuličkování až po připájení zpět na PCB.

Zadáme-li do googlu vyhledat spojení "BGA reballing", výsledkem bude mimojiné i spousta odkazů na instruktážní videa, ve kterých se nás zruční technici (většinou asijského původu) budou snažit přesvědčit, že nic snazšího než překuličkování snad ani neexistuje. Skutečnost však byla, alespoň v mém případě, podstatně jiná a nalézt opakovatelně fungující postup bylo vše jen ne snadné.

1. Co je to BGA reballing / překuličkování

BGA montáž je specifická tím, že IC je k PCB (obvykle základní deska) připájen pomocí množství malých vodivých spojů. Ty jsou tvořeny kuličkami ze slitiny složením velmi podobné klasické pájce.

Tyto kuličky mají dvě základní funkce:

- zajistit přenos el.signálu mezi IC a PCB
- zajistit mechanické připevnění IC k PCB

Z dalších funkcí můžeme zmínit např.odvod tepla z IC do PCB.

Za určitých nevhodných provozních podmínek (nadměrné tepelné a mechanické namáhání) může dojít k poškození těchto vodivých spojů. Konkrétně se jedná o různé trhliny a praskliny v materiálu popř.jeho oxidaci. Každý z těchto defektů vede ke zhoršení elektrických i mechanických vlastností spoje (degradaci), což ještě více zvyšuje jeho namáhání (vyšší proudová hustota a teplota, nižší mech.pevnost atd.) a to zase urychluje degradaci materiálu. Výsledkem tohoto začarovaného kruhu je totální selhání, kdy spoj přestává plnit svou el.i mech.funkci.

Standartním způsobem "regenerace" defektního BGA spoje je reflow neboli přetavení. Jedná se o principem jednoduchý rework, který spočívá v roztavení poškozené BGA kuličky a tedy zacelení všech trhlin a prasklin v jejím objemu. V některých situacích ovšem reflow nemusí přinést kýžený výsledek. Je to např.tehdy, pokud je materiál příliš chemicky degradován (většinou oxidací). V takovém případě, jednoduše řečeno, už ani "nemusí být co přetavovat" popř.je v materiálu tak velká koncentrace nežádoucích látek vzniklých oxidací, že při přetavení nedojde k zacelení prasklin a trhlin.

Potom nezbývá nic jiného, než materiál spoje - tzn.BGA kuličku - vyměnit. A přesně to je význam slova reballing neboli překuličkování.

2. Potřebné technické vybavení pro reballing / překuličkování

2.1 BGA rework stanice, mikropájka, horkovzdušná SMD pájecí stanice

Tady už si s klasickou horkovzdušnou pistolí nevystačíme. Pro uspokojivý výsledek budeme potřebovat BGA rework stanici s dostatečným výkonem, hlavním (horním) a pomocným (spodním) heaterem, PID regulací a možností nastavení teplotních profilů. Dále budeme potřebovat mikropájku s plochým hrotem, tzv."dlátkem" a využijeme i horkovzdušnou SMD pájecí stanice s možností regulace teploty a průtoku vzduchu.

2.2. BGA šablony

BGA šablona je destička ze slabého nerezového plechu s rastrem otvorů odpovídajícím umístění BGA kuliček na IC. Její funkcí je uspořádat BGA kuličky do přesného rozestavení a následně je v tomto zajistit proti možnému pohybu při přetavení (platí pro direct heated šablony).

Existují dvě verze BGA šablon:

- První z nich je určena pouze pro počáteční uspořádání BGA kuliček. Většinou se jedná o destičku s rozměry podstatně většími (80x80 popř.90x90) než je půdorys IC, která má ve svém středu rastr s otvory. Jak již bylo řečeno, slouží pouze pro počáteční uspořádání kuliček, tzn.před fází přetavení je nutné ji z IC odstranit (při ohřívání by totiž došlo k jejímu prohnutí). Tento typ se obvykle prodává v sadě společně s jednoduchým přípravkem umožňujícím zafixovat IC a šablonu ve správné vzájemné poloze.

- Druhou, označovanou jako direct heated, je možné použít i ve fázi přetavení. Rozměry odpovídá půdorysu IC a k IC se připevňuje pomocí tepluodolné lepící pásky.

Osobně se mi první typ vůbec neosvědčil a využívám pouze direct heated BGA šablony. Dále popsaný postup tedy bude vztažen právě na tento typ.

2.3 BGA kuličky

Hlavní dělení by mohlo být dle materiálu, ze kterého jsou BGA kuličky vyrobeny - a to na lead a lead-free. Lead (neboli obsahující olovo) jsou levnější, tvrdí se že odolnější, přetavují se při nižší teplotě a prý jsou více rework-friendly. Osobně nemohu posoudit, protože s lead-free jsem ještě nepracoval a ani to nemám v plánu.

Další dělení je dle průměru kuličky. Nejčastěji se používají ve škále 0,76 - 0,6 - 0,5 - 0,45. Na každě BGA šabloně je vždy uvedeno, pro jaký typ IC a průměr kuliček je určena.

2.4 Pájecí pasta

Bez pájecí pasty se neobejdeme při žádném BGA reworku, což platí dvojnásob při překuličkování. Doporučuji např.značku AMTECH, která nabízí několik typů pájecích past pro různé použití (lead, lead-free, bezoplachové pájení atd.). Bohužel sehnat originál je prakticky nemožné, jelikož všechny pasty této značky zakoupené z Asie přes ebay či aliexpress jsou fake. Nutno ovšem podotknout, že i přesto jsou obvykle použitelné.

2.5 Čistící měděné pásky

Před vlastním překuličkováním respektive následným připájením překuličkovaného IC na PCB je vždy nutné pájecí plošky (jak na IC tak na PCB) důkladně očistit. To v první řadě znamená odstranit zbytky původních kuliček. Ke hrubému odstranění se používá mikropájka s plochým hrotem, na dočištění pak měděné pásky spletené z jemných drátků. Velmi dobře lze použít i oholený vodič se spleteným měděným jádrem. Čím z jemnějších drátků bude, tím lépe.

2.6 Další pomůcky

Využití nalezne IPA (izopropylalkohol), textilie nepouštějící vlákna, tepluodolná lepící páska, lupa nebo lépe USB digální mikroskop, podtlaková pinzeta na manipulaci s IC, klasická pinzeta, jehla atd.

3. Postup při reballing / překuličkování

Principem se nejedná o nic složitého:

- odpájet IC z PCB
- odstranit z IC původní BGA kuličky a nahradit je novými
- odstranit z plošek na PCB zbytky BGA kuliček
- připájet IC zpět na PCB

Provedení je už ale trochu složitější.

3.1 Odpájení IC z PCB

Nejjednodušší část celého reworku. Pájecí pastu aplikujeme jako housenku u jedné strany IC a následně celou oblast prohřejeme (např.pomocí SMD horkovzdušné stanice). Rozteklá pasta tím sama navzlíná do oblasti s BGA kuličkami. PCB následně umístíme do BGA rework stanice a dle příslušného teplotního profilu zahřejeme. V okamžiku, kdy dojde k roztavení BGA spojů, IC pomocí vakuové pinzety z PCB sejmeme.

3.2 Vyčištění pájecích plošek na IC

Nejdříve pomocí mikropájky s plochým hrotem nahrubo odstraníme zbytky původních kuliček. Potom to samé provedeme za použití měděného čistícího pásku. Vše samozřejmě provádíme pod pájecí pastou. Nakonec odstraníme zbytky pájecí pasty pomocí textilie a IPA.

3.3. Vizuální inspekce pájecích plošek na IC

Pro vizuální inspekci se mi velmi osvědčil USB digitální mikroskop. Velmi snadno se s ním manipuluje, nabízí až 400násobné zvětšení a na e-bay se prodává do ceny kolem 50,-USD. Cílem inspekce je ověřit stav pájecích plošek, které mohou být poškozené popř.zcela chybět. V takovém případě nelze IC dále použít.

3.4 Vyčištění pájecích plošek na PCB

Postup je stejný, jako u bodu 3.2.

3.5 Vizuální inspekce pájecích plošek na PCB

Postup je stejný, jako u bodu 3.3.

3.6 Příprava pájecích plošek na IC

Pomocí textilie a IPA opět pájecí plošky vyčištíme. Doprostřed IC naneseme pájecí pastu a pomocí SMD horkovzdušné stanice zahřejeme, dokud se pasta nerozteče. Potom vhodným nástrojem (což může být klidně i prst) pastu rozetřeme po celé ploše. Opět zahřejeme, čímž se pasta sama "niveluje" do víceméně stejně silné vrstvičky. Tím je povrch IC připraven pro aplikaci BGA šablony.

3.7 Umístění BGA šablony na IC

Příslušnou BGA šablonu nanečisto srovnáme s rastrem kuliček na IC a následně ji na IC přitiskneme. Pájecí pasta funguje jako lepidlo, což usnadní vystředění šablony do správné pozice. V této chvíli si můžeme ověřit, zda jsme pastu nanesli ve správném množství - po přitisknutí šablony na IC by se na spodní hraně otvorů v šabloně mělo objevit malé množství vytlačené pasty.

Posledním krokem před aplikací BGA kuliček je vystřědění šablony na IC. Cílem je zajistit soustřednost otvorů v šabloně s pájecími ploškami na IC. Po vystředění připevníme šablonu k IC pomocí tepluvzdorné lepící pásky a nakonec opět pomocí IPA a textilie očistíme povrch šablony od možných vytlačených zbytků pájecí pasty.

3.8 Aplikace BGA kuliček na IC

Nejjednodušším způsobem je sypat kuličky z výšky cca 3-5cm na šablonu (s připevněným IC) tvořící nakloněnou rovinu s úhlem cca 60°. Balení BGA kuliček, které používám (250k v plastové nádobce), umožňuje využít jako záchytnou nádobu přímo originální plastovou nádobku, přičemž pro sypání využívám malou nerezovou kávovou lžičku.

Tímto způsobem by se mělo podařit umístit BGA kuličky prakticky do všech otvorů v šabloně. Pokud se v některých otvorech i přesto kulička neuchytí, za pomocí např.jehly ji individuálně umístíme.

Po zaplnění všech otvorů v BGA šabloně ještě vypuklou částí lžičky zlehka přejedeme po všech BGA kuličkách. Tím je zatlačíme a usadíme do otvorů v šabloně a zároveň přitlačíme na pájecí plošky na IC.

3.9 Připájení BGA kuliček na IC

Před vlastním přetavením naneseme přiměřenou housenku pájecí pasty na BGA šablonu a pomocí SMD horkovzdušné stanice zahřejeme, dokud se pasta nerozteče a nenavzlíná do otvorů v šabloně. Správný stav by měl být takový, že by BGA kuličky měly v rozteklé pastě jakoby "plavat", ale pasta by zároveň neměla hladinou přesahovat přes šablonu.

Pro přetavení BGA kuliček a jejich připájení na plošky se mi osvědčilo používat BGA rework stanici s nastaveným lead-free teplotním profilem (kulminuje na 225°) a to i přesto, že používám lead kuličky. Jako nosnou desku používám PCB z vyřazené MXM2 grafické karty s odpájenými součástkami, jehož horní strana (tzn.tam, kde se umísťuje překuličkovávaný IC) je překryta ALOBALem. Teplotní sonda je vždy umístěna na okraj BGA šablony.

3.10 Oprava nedostatků

Poměrně často se stane, že některá z BGA kuliček nebude během fáze přetavení připájena na příslušnou plošku (tzn.zůstane volná). Pokud jsme dostatečně šikovní a rychlí, většinu z těchto nedostatků je možno opravit hned během fáze přetavování.

Postup je ten, že okamžitě poté, co kulminuje teplotní profil (225°C) zkontrolujeme, zda některá z kuliček není jakoby "vytlačena" ze svého otvoru v BGA šabloně. Pokud nějakou takovou najdeme, pomocí jehly ji rychle do otvoru vrátíme. Když se nám to podaří rychle, kulička zůstane roztavena a úspěšně se přichytí na příslušné pájecí plošce.

Před sejmutím šablony z IC se vždy důkladně přesvědčíme, zda některá z kuliček není volná. V případě že ano, ověříme stav pájecí plošky (může být nedostatečně vyčištěna atd.), kuličku vyměníme a IC i se šablonou znovu vložíme do rework stanice a přetavíme.

3.11 Příprava IC k připájení na PCB

Jednoduchá část - pouze sejmeme BGA šablonu z IC. Je možno i odstranit pájecí pastu a nahradit novou, ale obávám se, že by případné čištění přineslo více škody, než kolik užitku by přinesla nová pájecí pasta.

3.12 Příprava pájecích plošek na PCB

Postup je stejný, jako u bodu 6.

3.13 Připájení IC na PCB

V první řadě je nutno IC na PCB správně orientovat. K tomu slouží dvě vizuální pomůcky:

- rámeček na PCB (tenká bílá čára vyznačující obrysy IC)
- středící značky na PCB a IC (obvykle v podobě trojúhelníku na IC a trojúhelníku / čtverce v rohu rámečku na PCB)

S tím souvisí i vystředění IC uprostřed rámečku na PCB. Hodí se liniový zdroj světla, při kterém hrany IC nedělají stíny. Před finálním vystředěním je dobré PCB přitlačit vůči PCB, aby "neplavalo" na vrstvičce pájecí pasty a BGA kuličky se dostaly co nejblíže k pájecím ploškám na PCB.

Tím je IC připraveno k připájení na PCB. Na vlastním připájení již nic záludného není. Snad jen to, že stejně jako v případě překuličkování, se mi osvědčilo používat lead-free teplotní profil.

Závěr

Najít opakovatelně fungující a tedy spolehlivý postup pro překuličkování BGA IC nemusí být jednoduché a ani levné. Podstatnou roli může hrát použité vybavení (BGA rework stanice, BGA šablony atd.) stejně jako materiály (BGA kuličky, pájecí pasta atd.).

Hodně štěstí!

-- DiL --

Edit - nové informace, postřehy, zjištění

7.7.2011

1) Při překuličkovávání (a následném připájení IC zpět na PCB) s použitím lead BGA kuliček je možné použít "hybridní" teplotní profil kulminující na cca 210°C. Sníží se tím tepelné namáhání IC i desky. Doporučovaný teplotní profil pro lead pájení kulminující na 185°C se mi neosvědčil.

2) Pokud po odpájení IC a kontrole pájecích plošek na PCB zjistíme, že některá chybí, nemusí být vše ztraceno. Některé z vývodů z IC totiž nejsou zapojeny, respektive jsou přes BGA kuličky připájeny k ploškám, které na desce nemají žádné další el.propojení. V takovém případě existuje reálná šance, že po připájení IC zpět bude celek zcela funkční.

Diskuzní fórum

Diskuze k tomuto článku na http://forum.ntbook.cz.

Související články

Reball GPU v obrazech 1 / 3

Reball GPU v obrazech 2 / 3

Reball GPU v obrazech 3 / 3