Технология пайки корпусов BGA в домашних условиях

Статья публикуется с разрешения ее автора - Рыженко Юрия (ra9mgk@yandex.ru) 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...

Объект ремонта выглядит так:

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.

После отпайки плата и микросхема выглядят так:

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.

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).

Трафареты, изготовленные на нашем производстве, имет вид автономных пластин, на каждой из которых имеются специальные термошвы, препятствующие их изгибу при нагреве.

Кроме того, наши трафареты изготовлены исключительно лазерной резкой с точностью +- 5 мкм, что обеспечивает простоту и удобство их использования при реболлинге чипов BGA.

Рис.1 Трафарет для реболлинга BGA, изготовленный лазерной резкой из специальной полированной нержаве ющей стали импортного производства

После остывания снимаем крепежную изоленту и феном с температурой 150° аккуратно нагреваем трафарет до плавления флюса. После чего можно отделять микросхему от трафарета.
В результате получились вот такие ровные шары, микросхема готова к постановке на плату:

Собственно пайка микросхемы на плату

Если риски на плате (которые нужно было сделать перед отпайкой) не сделаны, то позиционирование делем так:
Переворачиваем микросхему выводами кверху
Прикладываем краешком к пятакам, чтобы совпадали с шарами
Засекаем где должны быть края микросхемы (можно царапнуть тихонько иголочкой).Сначала одну сторону, потом перпендикулярную ей другую. Достаточно двух рисок.
Потом ставим микросхему по рискам на плату и стараемся на ощупь шарами поймать пятаки по максимальной высоте. Т.е. надо встать как бы шарами на шары, вернее на остатки от прежних шаров на плате.
Можно установить просто "заглядывая" под корпус, либо по шелкографии на плате.
Затем прогреваем микросхему до расплавления припоя. Микросхема сама точно встанет на место под действием сил поверхностного натяжения расплавленного припоя. Момент расплавления припоя хорошо заметен - микросхема немного шевелится, "устраиваясь поудобнее". Флюса нужно наносить очень мало. Температура фена 320-350°, в зависимости от размера чипа.

Всё. Хотя, по хорошему, еще и помыть надо...