BGA (Ball Grid Array)
CPU e GPU sono saldate sulla scheda madre "a stampo" ed utilizzano un socket di tipo BGA (Ball Grid Array) che consiste in una matrice di piccole palline di stagno al di sotto del semiconduttore. Queste palline di stagno sono le connessioni del chip sulla scheda madre e non e' possibile raggiungerle con un normale saldatore a stilo, nemmeno utilizzando la piu' piccola delle punte. Quando il dispositivo raggiunge alte temperature (85> gradi) e ci rimane a lungo queste palline di stagno subiscono un forte stress termico e con il passare del tempo (cicli termici) si fondono (alcune volte unendosi a quelle vicino creando un corto circuito) oppure si creano microfratture che alla fine diventano grandi ed interrompono la connessione tra scheda madre e chip. Per ciclo termico si intende l'intero processo di riscaldamento e raffreddamento che il BGA subisce ad ogni accensione/spegnimento del dispositivo. Inoltre all'interno di queste microfratture la tensione "scavalca" il divarico creando delle piccole scariche che a lungo andare ossidano lo stagno. La fase critica va dal 2006 al 2010, dove gran parte dei dispositivi prodotti in questo arco di tempo sono piu' soggetti a questo tipo di problemi (specialmente i chip Nvidia con architettura G84 e G86. La colpa non e' sempre delle palline di stagno ma puo' essere attribuita anche al chip stesso che si danneggia con il calore e di conseguenza muore.
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Package BGA
Vantaggi:
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Svantaggi:
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Per effettuare delle riparazioni che coinvolgono i socket BGA ci sono 3 distinti processi che possono essere eseguiti in base alla diagnosi del problema:
ATTENZIONE! la curva di temperatura e' una cosa molto delicata e deve essere attentamente seguita per evitare problemi durante il processo, evitare sbalzi di temperatura!
- Reflow: consiste nel pre-riscaldare la PCB con una piastra riscaldante (per portarla a temperatura, facilitare il processo ed eseguire l'operazione senza sbalzi termici in totale sicurezza) e riscaldare il chip coinvolto con una pistola ad aria calda in modo da ripristinare le connessioni danneggiate fondendo lo stagno per qualche secondo. Tale procedura non funziona sempre (dipende dallo stato della matrice di sfere di stagno, potrebbero esserci alcune sfere in corto circuito, in questo caso il reflow non e' la procedura adatta). La curva di temperatura e' attentamente studiata, evitate metodi grossolani fai date (PCB nel forno, accendino sotto al chip, pistola da vernice/carrozziere, fono e altre stupidate.... ne ho viste di tutti i colori).
- Rework: consiste nel pre-riscaldare la PCB con una piastra riscaldante come avviene per il reflow e successivamente rimuovere in modo completo il chip. Una volta rimosso totalmente il chip, andra' ripulito (sia sulla faccia del chip, che sulla faccia della mobo) e tutte le solder balls andranno ricostruite attraverso l'utilizzo degli stencil (in base al tipo di socket BGA, gli stencil, dopo essere stati riempiti con delle sfere metalliche di giusto diametro, permettono di allineare le solder balls che andranno riscaldate e fuse. E' previsto il riutilizzo del chip rimosso.
- Reball: identico al rework, eccetto per il fatto che a fine procedura non si utilizza nuovamente lo stesso chip ma si sostituisce con uno nuovo.
ATTENZIONE! la curva di temperatura e' una cosa molto delicata e deve essere attentamente seguita per evitare problemi durante il processo, evitare sbalzi di temperatura!
Durante le operazioni di riscaldamento e' importante preservare il resto della scheda isolandola termicamente con della carta stagnola o con del nastro kapton in modo da evitare di fondere eventuali componentistiche in plastica e riscaldare inutilmente altri componenti. Inoltre durante il reflow e' consigliato utilizzare del flussante o della pasta saldante per fluidificare lo stagno ed impedire che le solder balls si fondono tra di loro generando un corto circuito.
Qui sotto potete osservare delle curve per effettuare reflow. Come potete notare ci sono 3 parametri fondamentali di cui tener conto:
L'andamento della curva dipende da vari fattori:
Qui sotto potete osservare delle curve per effettuare reflow. Come potete notare ci sono 3 parametri fondamentali di cui tener conto:
- Pre-Heating: tempo di pre-riscaldamento, necessario per portare la PCB a temperatura
- Soak: letteralmente tradotta in "bagno/immersione" e' il periodo durante la quale eventuali liquidi (flussante/pasta salda) si attivano ed entrano in azione
- Reflow: tempo in cui viene effettuato il reflow vero e proprio, dove si raggiunge il picco di temperatura massimo durante la quale le solder balls si fondono e il collegamento viene (sperando) ripristinato.
- Cool: in questa fase la zona interessata si raffredda e torna alla temperatura normale
L'andamento della curva dipende da vari fattori:
- Grandezza del chip (superficie da riscaldare)
- Nozzle utilizzato
- Tipo di stagno impiegato
- Grandezza della PCB
- Temperatura ambiente
Per evitare problemi del genere scegliete sempre un dispositivo con il processo produttivo piu' basso possibile (piu' e' basso e piu' il chip e' piccolo e di conseguenza genera meno calore e dissipa meno energia). Per esempio per le Playstation/Xbox, aspettate sempre il modello slim poiche' quello fat avra' quasi sicuramente problemi con il calore e il BGA. Un'altro consiglio per evitare problemi col BGA e' mantenere una temperatura adeguata:
Temperatura piu' bassa = BGA salvo
Per mantenere le temperature basse dovete cambiare la pasta termica regolarmente e mantenere il dispositivo pulito ed efficiente rimuovendo soprattutto la polvere (che per questo viene chiamata "il killer silenzioso").
Temperatura piu' bassa = BGA salvo
Per mantenere le temperature basse dovete cambiare la pasta termica regolarmente e mantenere il dispositivo pulito ed efficiente rimuovendo soprattutto la polvere (che per questo viene chiamata "il killer silenzioso").
Underfill BGA
La tecnica dell'Underfill e' utilizzata sotto ai chip BGA per rinforzare i giunti di stagno e la resistenza del prodotto contro eventuali vibrazioni e shock termici. Quando il BGA si scalda, come detto prima, la PCB e il chip subiscono un processo di espansione termica, e questo puo' causare delle fratture ai giunti di stagno; la tecnica dell'Underfill quindi consiste nel riempire la parte sottostante al chip di resina epossidica distribuendo parte dello stress termico e meccanico proprio all'underfill. A questo punto ci sono due modi per applicare la resina:
Questa pratica viene utilizzata molto in applicazioni importanti come il campo militare, automobilistico e industriale (infatti in queste applicazioni la temperatura ambientale gioca un ruolo importante per il BGA). |
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