Мой опыт восстановления шариков корпуса BGA (reballing)
Добавил(а) microsin
На эту тему написано немало статей и снято много видоблогов (многие очень неплохие, см. [3]). Поэтому постараюсь как можно короче и проще описать то, что получилось (и не получилось) у меня, возможно кому-то это тоже пригодится.
В основном для восстановления шариков BGA применяют 2 метода - с помощью оловянно-свинцовых шариков и с помощью паяльной пасты. Способ с помощью паяльной пасты у меня не получился, потому что надо было восстановить корпус процессора ADSP-BF538 типа BC-316 с шагом между выводами 0.8 мм и диаметром шарика вывода 0.45 мм. В такой маленький диаметр отверстия шаблона трудно качественно продавить паяльную пасту, чтобы все шарики выводов получились одинакового размера. Как мне кажется, способ на основе паяльной пасты подойдет для чипов BGA с крупными шариками.
ИМХО процесс восстановления выводов на основе шариков позволяет надежнее и качественнее получить одинаковые выводы BGA, потому что шарики калиброванные и имеют одинаковый размер. Единственный недостаток "шарикового" метода - трудоемкой процесс заполнения шаблона шариками.
[Инструмент]
Для реболлинга нужно иметь стальной шаблон, подходящий под Ваш корпус чипа, оснастку для фиксации шаблона на чипе, жидкий флюс, легкоплавкий оловянно-свинцовый припой, жидкость для очистки флюса, свинцово-оловянные шарики, тонкий пинцет, зубочистки, фен с терморегулятором и регулятором скорости потока воздуха, стационарная лупа с подсветкой или ювелирные очки с увеличением, хороший паяльник с регулятором температуры, чистая ветошь. Желательно (но необязательно) также иметь печку для нижнего подогрева.
Список большой, однако скорее всего у радиолюбителя многое из вышеперечисленного уже есть в наличии.
Подходящий шаблон можно поискать в сети магазинов "Профи", или заказать на сайте AliExpress. Вполне вероятно, что Вы не найдете такой шаблон, который точно соответствует корпусу Вашего чипа. Однако есть так называемые универсальные шаблоны, которые представляют собой стальную пластину, в которой просверлена решетка отверстий с определенным шагом.
Само собой, шаг отверстий шаблона должен совпадать с шагом выводов чипа. Однако также важен и диаметр отверстий шаблона, он должен соответствовать диаметру выводов чипа. Шаг выводов и диаметр шариков выводов можно узнать из технической документации на чип (из даташита).
В моем случае был корпус BC-316 (CSP_BGA) с шагом выводов 0.8 мм и диаметром выводов 0.40 .. 0.50 мм. На AliExpress я заказал набор шаблонов, где были 3 шаблона с шагом 0.78 мм и диаметром отверстий 0.4, 0.45 и 0.5 мм. Я выбрал шаблон с отверстиями 0.45 мм.
Обратите внимание, что шаг отверстий шаблона 0.78 мм, хотя шаг выводов чипа 0.8 мм. Это сделано неслучайно: при нагревании шаблон расширяется, поэтому интервалы между отверстиями уменьшены.
На AliExpress есть несколько наборов для установки шаблона на чип. Опыта было мало, знал только то, что удалось почерпнуть из видеоблогов. Совсем не представлял себе, что именно нужно покупать, поэтому купил сразу два вида фиксаторов.
Первый вариант, попроще и подешевле (8 февраля 2019 года стоил примерно 600 рублей):
Ниже показан второй вариант держателя шаблона, который выглядел более солидно. Вместе с ним в комплекте были не только шаблоны, но еще и набор бутылочек с шариками разных диаметров, пинцеты, щупы и крючки. Забегая вперед скажу, что из этого набора мне пригодились только шарики. Фиксатор выглядел солидно, но он мне не подошел (далее объясню почему). Так что покупка этого набора была довольно бесполезной тратой денег, шарики можно и нужно было купить отдельно. Стоил этот набор 8 февраля 2019 года примерно 4500 рублей.
Примечание: можно обойтись вообще без фиксатора, однако если хотите подстраховаться, то рекомендую первый вариант набора.
Подойдет любой, желательно неактивный. Я использовал флюс FluxPlus 6-412-A:
В крайнем случае можно использовать даже спирто-канифольный флюс, но это нежелательно, потому что при температуре выше 250°C он может начать выгорать и дымить, оставляя трудно смываемый нагар. Специальный флюс при нагреве испаряется.
Это важный компонент, поскольку необходимо быть уверенным в температуре потока воздуха. Подойдет любой профессиональный и полупрофессиональный фен. Давно пользуюсь китайским феном AOYUE 8032A++, и он меня вполне устраивает:
Вместо фена гораздо лучше использовать паяльную станцию с инфракрасной нагревательной головкой и контролем температуры, но для радиолюбителя это довольно дорогое удовольствие.
Эти инструменты очень помогают при многих операциях - снятие старого припоя с выводов чипа, лужение, точная установка шаблона, заполнение отверстий шаблона шариками, промывка, оценка качества восстановленных выводов. У меня есть хорошая лампа с лупой [1], и вот такие очки с линзами на увеличение:
Подойдет любой хороший паяльник с регулятором температуры, которым Вы любите пользоваться. ИМХО, паяльник должен доставлять от процесса пайки удовольствие. Я пользуюсь паяльником TS100:
Жидкость довольно вонючая, но зато она в баллончике с распылителем, и отлично чистит остатки нагара и флюса. Также можно использовать спирт или ацетон.
Про остальной инструмент (пинцет, припой, ветошь, зубочистки) писать особо нечего. Припой может быть типа ПОС-61 или аналогичный с температурой плавления порядка 180 .. 190°C. Ветошь должна быть чистая, с минимальным количеством пыли и ворсинок. Специальные тряпки для чистки можно купить в магазине "Профи".
[Восстановление выводов BGA]
Процесс по шагам:
1. Сначала предстоит снять остатки старого припоя с выводов чипа. Шарики BGA, скорее всего, сформированы из бессвинцового припоя, который имеет повышенную температуру плавления. Мы будем заменять материал шариков на более легкоплавкий оловянно-свинцовый припой, потому что это уменьшает термоудар на чип и облегчает формирование качественных шариков выводов.
Положите чип на чистую, плохо проводящую тепло поверхность. Это может быть монтажный коврик, чистый брусок дерева или кусок фанеры. Облейте поверхность выводов флюсом, и нагретым жалом паяльника снимите с него старый припой. Для снятия припоя полезно использовать многожильный провод с тонкими жилами, например МГТФ. Паяльник должен быть нагрет до температуры около 300...330°C, флюс не жалейте. Периодически очищайте жало паяльника ветошью.
2. Обновите флюс на чипе, и облудите выводы чипа оловянно-свинцовым припоем. На выводах не должно быть лишнего припоя, и все выводы после лужения должны выглядеть одинаково.
Шаги 1 и 2 нужно проделать для того, чтобы на всех выводах чипа было одинаковое количество остатков припоя, и выводы были надежно облужены. Это обеспечит качественное наплавление шариков припоя и формирование одинаковых выводов.
3. На этом шаге предстоит обрезать шаблон по корпусу чипа. Ни в одном видеоролике не видел этой операции, но мне пришлось на неё пойти. Шаблон нужно обрезать для того, чтобы его можно было легко и точно позиционировать его на выводы чипа, ориентируясь по краям корпуса. Вот что у меня получилось:
Шаблон, обрезанный точно по корпусу чипа, исключает его перекос и изгибы при нагреве, он будет точно накладываться на корпус. Смещение шаблона во время всех операций исключается, положение шаблона легко контролировать.
Шаблон я обрезал и подгонял по размеру дремелем, с помощью тонкого абразивного диска.
4. Покройте облуженный чип равномерным слоем флюса, наложите на него шаблон и закрепите в фиксаторе. Должно получиться примерно так:
5. Над чистой плоской тарелкой начните заполнять шаблон шариками. Сначала насыпьте кучку шариков сверху, а потом распределяйте их по отверстиям зубочисткой. Некоторые шарики можно подобрать с тарелки пинцетом, и заполнить ими оставшиеся отверстия. Лишние шарики ссыпьте с тарелки обратно в бутылочку.
6. Если есть печка для нижнего подогрева, то есть смысл её использовать. Включите печку и поставьте чип с шаблоном и шариками на неё. Дождитесь нагрева печки до температуры примерно 250°C. Чип, шаблон и шарики при этом будут иметь температуру около 150°C, флюс начнет медленно испаряться. Если печки нет, то сразу переходите к шагу 7.
7. Поставьте на фен широкое сопло, или совсем снимите сопло. Установите на фене температуру воздуха 300°C и уменьшите силу потока до минимума, чтобы поток воздуха случайно не сдул шарики. Начинайте осторожно и равномерно прогревать шаблон и шарики, направляя поток воздуха вертикально, строго перпендикулярно плоскости шаблона. Внимательно следите за выступающими шариками. В процессе нагрева будет заметен момент расплавления шариков, они должны немного осесть. Если этого не замечаете, то облейте сверху шаблон слоем флюса и продолжайте нагрев. После испарения флюса шарики должны надежно наплавиться на выводы чипа.
У меня с первого раза этот шаг не получился - не все шарики наплавились. Если это случилось и у Вас, то не беда - очистите чип и шаблон, снова покройте флюсом чип, наложите шаблон, положите не припаявшиеся шарики в отверстия и повторите нагрев, немного увеличив температуру или время нагрева. Второй раз точно все получится.
Если у Вас есть станция с инфракрасной нагревательной головкой и контролем температуры – отлично, такой способ нагрева намного лучше, чем фен.
8. Дайте чипу время, чтобы остыть. Извлеките чип и шаблон из держателя. Сейчас шаблон довольно плотно приклеился флюсом к чипу, и чтобы его снять, нужно снова слегка нагреть чип потоком воздуха с температурой 150°C. Подденьте нагретый шаблон зубочисткой, и он довольно легко отделится от поверхности чипа.
На этом все. Очистите чип от остатков флюса, и он готов к пайке на плату. Таким способом я восстановил два процессора Blackfin ADSP-BF538:
[Мои косяки]
Я также пытался восстанавливать выводы с помощью "фирменного" второго варианта фиксатора, не обрезая шаблон. На youtube есть видео с использованием этого фиксатора, например [2].
Однако это оказалось бесполезной затей. Большой фиксатор и не обрезанный шаблон никак не получалось точно совместить, чтобы шаблон совпадал с выводами чипа. Кроме того, при нагреве шаблон вспучился, и многие шарики сместились. Некоторые выводы не сформировались, многие соседние шарики слились друг с другом. По этой причине пришлось обрезать шаблон точно по размеру корпуса чипа. Дорогой фиксатор не подошел, помог более простой и дешевый вариант фиксатора.
Пытался восстанавливать выводы с помощью паяльной пасты. Не получилось, потому что не во все отверстия удалось качественно продавить пасту, многие выводы не сформировались. В некоторые отверстия пасту продавил слишком сильно, так что она зашла под шаблон. Способ с паяльной пастой мне не понравился, но возможно что-то делал не так.
