Как сделать микрочип

Обновлено: 07.07.2024

Такие материалы, как германий и силицен, обеспечивают возможность создания микроскопических транзисторов, более быстрых процессоров и носителей информации. CHIP выяснил, как в будущем из них будут изготавливаться чипы.

Закон Мура — это мантра полупроводниковой промышленности, которая гласит, что процессоры должны становиться быстрее и меньше. Для того чтобы и дальше иметь возможность следовать данному правилу, необходимо находить новые материалы для производства транзисторов, поскольку кремний постепенно подходит к границам своих физических возможностей.

Веществом, в настоящее время оценивающимся в качестве возможного преемника кремния, является германий. Этот полупроводник обладает значительными преимуществами по сравнению с кремнием: его низкое сопротивление позволяет увеличить тактовую частоту процессоров, не приводя к критическому тепловыделению.

Первые транзисторы из германия уже изготовлены. Однако до сих пор обработка этого полупроводника остается гораздо более сложной, чем обработка кремния. Новые результаты исследований могли бы помочь германию изменить IT-индустрию.

FeFET-транзистор является энергонезависимым элементом, он сохраняет свое состояние без подачи питания и таким образом может использоваться в качестве постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). При этом запись и чтение в накопителе на базе FeFET-элементов могли бы производиться настолько же быстро, как и у современной оперативной памяти.

Накопитель на базе сегнетоэлектрических транзисторов способен быть столь же быстрым, как оперативная память, и таким же стабильным, как магнитные жесткие диски. То, что долгое время было чистой теорией, с помощью германия может быть эффективно реализовано на практике.

Вследствие волнистой структуры электроны атомов силицена, расположенных выше, имеют немного другое энергетическое состояние, чем электроны атомов, расположенных ниже. Та-
ким образом, с применением силицена (в отличие от графена) также возможно производить транзисторы.

Однако есть и проблема: силицен разлагается на воздухе через несколько минут. В настоящее время ученые лихорадочно работают над методами, которые позволят сделать материал более устойчивым. Уже высказаны первые предложения — например, нанесение защитного тефлонового слоя. В случае успеха дальнейшая миниатюризация процессоров могла бы стать безграничной.

До сих пор провода и контакты изготавливали по отдельности, а затем соединяли друг с другом; сложность производства при этом весьма высока. Ученые из Копенгагенского университета разработали метод, при котором последний этап становится излишним. Им удалось создать гибридный нанопровод, который с самого начала соединен со своим электрическим контактом. Используемый инженерами металл (алюминий) обладает сверхпроводимостью, так что нанотрубки способны стать основой схем для будущих квантовых компьютеров.

Прорыв в области сверхпроводников

Однако самая большая проблема в области сверхпроводников состоит в том, что они достигают своей практически нулевой проводимости только при очень низких температурах. Например, алюминий становится сверхпроводящим только при температуре –272 °С. Поэтому его необходимо охлаждать жидким гелием, а это очень дорогой процесс.

Для рентабельной эксплуатации сверхпроводников и квантовых компьютеров, созданных на их основе, материалы (в идеале) должны находиться в сверхпроводящем состоянии уже при комнатной температуре. Это до сих пор немыслимо, но вполне возможно. Международной группе во главе с Андреа Каваллери (общество им. Макса Планка) в ходе эксперимента на короткое время удалось достичь сверхпроводимости керамического материала при комнатной температуре с помощью коротких инфракрасных лазерных импульсов.

Несмотря на то что эффект продолжался всего несколько миллионных долей микросекунды, Каваллери считает, что это стало первым шагом к сверхпроводникам будущего, которым не будет требоваться охлаждение.

Недавно эффект левитации магнита над сверхпроводником был впервые получен при комнатной температуре. Это явление возникает, когда магнитные поля металлов вытесняются наружу.

Шина передачи данных между несколькими ядрами процессора ограничивает производительность компьютера. Новый лазер из соединения олова и германия должен устранить эту проблему.

Идеальным решением для беспрепятственной передачи данных было бы использование света вместо металлических проводников. Однако специалисты до сих пор не могли найти подходящего материала, из которого может быть создан лазер, совместимый с традиционными процессорами.

Прорыв произошел в конце января 2015 года: ученые Исследовательского центра Юлих и Института Пауля Шеррера представили инфракрасный лазер, созданный на основе соединения германия и олова. Этот материал может быть интегрирован в современные процессоры и способен не только увеличить быстродействие компьютеров, но и значительно уменьшить их энергопотребление.

Инфографика: Andreia Margarida da Silva Granada

Два изобретения середины ХХ века значительно увеличили скорость технологического (и, как следствие, общественного) прогресса. Сделанный в 1948 году транзистор открыл дорогу твердотельной электронике. А спустя десять лет появился микрочип, интегральная схема, ставшая предшественником микропроцессора, который оказал гигантское влияние на всю современную цивилизацию.

Американские создатели транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн обрели мировую славу и в 1956 году были удостоены Нобелевской премии. Немецким физикам Герберту Матаре и Генриху Велкеру, которые, работая во Франции, всего полугодом позже самостоятельно изготовили точечный транзистор, пришлось удовольствоваться французским патентом и весьма кратковременной известностью, не вышедшей за пределы Европы. Интегральная схема тоже имела независимых авторов. Как нередко случается, их имена известны широкой публике куда лучше конкретных обстоятельств изобретения микрочипа.

Тирания чисел

Первый полупроводниковый компьютер CDC-1604 состоял из 25 000 транзисторов. Он занимал огромный зал, выполнял 34 000 вычислительных циклов в секунду и потреблял 15 кВт электроэнергии.

И вот тут-то возникла неприятная проблема. Компоненты электронных схем соединяли проводами одним-единственным способом — с помощью пайки. Это была трудоемкая и недешевая ручная работа, чреватая многими ошибками (ведь ее делали не роботы, а люди). В начале транзисторной эры в принципе можно было спроектировать систему едва ли не любой степени сложности, но ее изготовление зачастую оказывалось непомерно трудной задачей. Более того, технологии сборки препятствовали продвижению сложных систем на рынок бытовой электроники, которому требовались крупные объемы производства, компактность и умеренные цены. Эти технологии всё хуже работали и для больших компьютеров, поскольку соединительные цепи длиной в километры снижали их быстродействие.

В общем, уже в середине 1950-х годов на пути к осуществлению надежд, возложенных на транзисторы, встало серьезное препятствие, которое называли проблемой межкомпонентных соединений или, неформально, тиранией больших чисел. Его пытались преодолеть путем уменьшения размеров элементов электронных схем и применения модульной сборки, однако без особого успеха. Требовалась принципиально новая идея. И она не заставила себя долго ждать.

Жаркое место

Джек Сент-Клер Килби родился 8 ноября 1923 года в городе Джефферсон-Сити в штате Миссури. Его отец был инженером-электриком, поднявшимся до поста президента Канзасской электрической компании. Сын пошел по стопам родителя: в 1947 году окончил университет штата Иллинойс с дипломом бакалавра-электротехника и нашел место в компании Centralab в городе Милуоки, а через три года получил степень магистра в Висконсинском университете.

Небольшая фирма, где работал Килби, в основном производила сравнительно несложные радиодетали. В 1952 году она приобрела у Bell Laboratories лицензию на изготовление транзисторов, и молодой инженер немало сделал для отладки новой технологии. Он получил около дюжины патентов, обрел отличную профессиональную репутацию, но вот работа ему наскучила. Килби не только понимал, что будущее твердотельной электроники зависит от победы над тиранией больших чисел, но и считал себя способным ее одержать. Для этого была нужна должность исследователя в компании с серьезными финансовыми ресурсами и интересом к новым разработкам. В начале 1958 года он разослал резюме по нескольким перспективным адресам и получил предложения от таких гигантов электронной индустрии, как IBM и Motorola. Однако Килби предпочел менее известную корпорацию Texas Instruments, где несколькими годами ранее физик Гордон Тил и физхимик Виллис Эдкок создали первую эффективную технологию изготовления кремниевых транзисторов (до этого их делали только на основе германия). В те времена фирмой руководил весьма дальномыслящий президент Патрик Хагерти, поручивший Эдкоку возглавить работы по радикальному устранению проблемы межкомпонентных соединений.

Первый микропроцессор Intel 4004 содержал 2300 транзисторов и выполнял 92 000 инструкций в секунду, потребляя менее 1 Вт.

В мае Килби перевез семью в Даллас и приступил к работе в свежеотстроенном корпусе, где еще даже не действовали кондиционеры. Жуткая техасская жара не помешала ему быстро найти решение поставленной задачи. Килби догадался, что из полупроводников можно сделать все основные компоненты электронной схемы, если правильно подобрать легирующие присадки. А раз так, то в принципе ничто не мешает разместить эти компоненты на общей матрице. 24 июля 1958 года он записал эту великую идею в лабораторном журнале в одной-единственной фразе, которая вошла в историю электроники.

Но пока это была лишь теория. Когда Килби показал свои наброски Эдкоку, тот не выказал особого энтузиазма, но все же поручил Килби по-новому изготовить несложную радиосхему и пообещал санкционировать дальнейшие эксперименты, если она окажется удачной. Килби вызов принял и вручную встроил в германиевую пластинку детали стандартной электронной цепи, преобразующей постоянный ток в переменный (это был генератор гармонических колебаний с фазосдвигающей обратной связью). Выглядел он неуклюже, что и немудрено: для соединения блоков использовались навесные металлические провода. 12 сентября Килби показал свое детище большим боссам корпорации. На прибор подали ток от батареи, и на экране осциллоскопа высветилась зеленоватая синусоида. Первая в мире интегральная схема продемонстрировала свою работоспособность.

Поверх краски

Молодая компания производила транзисторы новейшим по тем временам методом диффузии легирующих примесей. При всех его достоинствах доля отбракованных из-за загрязнений изделий достигала 90%. Эрни предложил защищать кремниевые матрицы от повреждения с помощью тонкой пленки диоксида кремния. В процессе изготовления транзистора пленку зачищали в зонах диффузии, а затем для сохранения изоляции восстанавливали. Адвокат фирмы Джон Раллс усмотрел перспективность этой идеи и попросил составить патентную заявку с расчетом на возможность более широких приложений. Раллс не ошибся — метод Эрни лег в основу целого семейства полупроводниковых технологий, известных как планарные процессы.

Эти приложения и начал обдумывать Нойс, возглавивший исследовательский отдел фирмы. Тут-то он и догадался, что на оксидную пленку можно нанести тонкие полоски меди или иного металла, которые соединят транзисторы, конденсаторы и прочие элементы электронной схемы. А отсюда уже было недалеко до мысли, что и сами эти элементы можно встроить в кремниевую матрицу с помощью избирательного легирования. Сходная идея шестью месяцами ранее осенила и Килби, но Нойс пришел к ней другой дорогой. И оба пути пересеклись на рождении микрочипа.

Нойс регулярно обсуждал свои прозрения с Муром, который принимал их без особых возражений. 23 января 1959 года он описал свое изобретение на четырех страницах лабораторного журнала. Так родилась калифорнийская версия интегральной схемы — в отличие от техасской пока всего лишь на бумаге.

Тем временем в Далласе

Еще в сентябре 1958 года Килби и его помощники изготовили новым методом другой электронный прибор, полупроводниковый триггер. Тем не менее руководство Texas Instruments не пропагандировало новое изобретение и не планировало его использование. Более того, компания не спешила и с патентной заявкой.

Однако 28 января 1959 года в Далласе зашевелились: прошел слух, что конкурирующая фирма RCA разработала собственный микрочип и вот-вот его запатентует. Информация оказалась ложной, но вызвала беспокойство. Корпорация обратилась к вашингтонской юридической фирме Stevens Davis Miller & Mosher, специализирующей на патентных делах, и поручила ей как можно быстрее оформить права на изобретение Килби. Ввиду особой важности дела им занялся сам Эллсворт Мошер, авторитетнейший юрист-патентовед. Для подготовки документации он потребовал монтажную схему микрочипа. Килби к этому времени уже осознал, что от внешней электропроводки необходимо избавиться, и приступил к разработке аналога планарного процесса (уже изобретенного Жаном Эрни). Тем не менее в качестве иллюстрации к патентной заявке Килби представил схему одного из первых чипов с навесными проводами из золота. Правда, он отметил, что проводящие цепи можно непосредственно накладывать на изолирующее покрытие, но на этом и остановился. 6 февраля Бюро патентов зарегистрировало заявку Килби.

Патентные войны

Этой вроде бы маловажной детали была суждена главная роль в патентной битве между Далласом и Кремниевой долиной. Fairchild Semiconductor Corporation в начале 1959 года выпустила в продажу свой первый оригинальный продукт — транзистор, изготовленный методом двойной диффузии. Интегральную схему Нойс оставил про запас — тогда ему казалось, что причин для спешки нет. Однако в начале марта он и его коллеги узнали, что корпорация Texas Instruments вскоре объявит о разработке интегрированных твердотельных схем. Так и произошло — изобретение Килби было продемонстрировано 24 марта в Нью-Йорке во время съезда Института радиоинженеров. К этому времени инженеры фирмы Texas Instruments изготовили ряд интегральных схем без навесных проводов, которые и были представлены на ее стенде. Хотя более подготовленной публики нельзя было и желать, новинка, как ни странно, никого особенно не заинтересовала. Даже профессиональный журнал Electronics упомянул о ней лишь через две недели, причем в одном-единственном абзаце.

Однако в Калифорнии мгновенно почувствовали, что Fairchild Semiconductor реально угрожает потеря приоритета. Нойс прекрасно понимал, что его заявка должна существенно отличаться от заявки конкурентов. Поэтому они с Раллсом особо подчеркнули, что изобретение Нойса делает излишним применение внешней проводки. Содержания заявки Килби они не знали (Бюро патентов США не раскрывает сведений на стадии рассмотрения документов), однако Нойс имел основания предполагать, что по этой части его фирма опередила техасских конкурентов.

Далее последовала судебная битва, растянувшаяся на десять лет. Юристы обеих сторон проявляли изощренное хитроумие, и в конце концов победа осталась за Нойсом. 6 ноября 1969 года апелляционный суд по делам патентов и таможенных сборов признал его единственным изобретателем микрочипа. Мошер апеллировал к Верховному суду США, но его петиция была отклонена.

Самое интересное, что решение суда практически ничего не изменило. И профессионалы, и политики, и публика уже прекрасно знали, что это великое изобретение имеет двух полноправных авторов. Оба получили за него National Medal of Science (Килби в 1969 году, Нойс — в 1979-м) и National Medal of Technology (соответственно в 1990 и 1987 годах). Более того, ничуть не пострадали и финансовые интересы обеих фирм. Еще в 1966 году Texas Instruments и Fairchild Semiconductor признали друг за другом равные права на интегральную схему (остальные фирмы, пожелавшие производить микрочипы, должны были покупать у них лицензии). Так что, по сути, многолетняя тяжба оказалась никому не нужна.

От ракет до калькулятора

Интегральные схемы были запущены в серийное производство в начале 1961 года, когда для этого появилась технологическая база. Первой их выпустила в продажу (в шести вариантах) фирма Fairchild под именем микрологических элементов. Через несколько недель на рынке появились и микрочипы от Texas Instruments — по терминологии корпорации, твердотельные цепи. Стоили они очень дорого (поначалу более $100) и потому для бытовой электроники никак не годились. Первые три года их закупали только федеральные ведомства, преимущественно Пентагон и NASA. Микрочипы стали основой электроники межконтинентальных ракет MinutemanII, запускаемых с подводных лодок баллистических ракет Polaris А2 и А3, бортовой авионики новых боевых самолетов — впрочем, всего не перечесть. В ноябре 1963 года был запущен спутник Explorer-18 — первый космический аппарат, начиненный микрочипами. В том году в США было продано полмиллиона интегральных схем, спустя год — уже два миллиона. Благодаря возросшим объемам производства средняя цена микрочипа в 1964 году снизилась до 18 долларов 50 центов. Стоит вспомнить, что тогдашние наиболее совершенные интегральные схемы содержали не больше шести десятков компонентов.

Тогда же, в 1964 году, микрочипы начали использовать и в бытовой электронике — они дебютировали в слуховом аппарате Arcadia фирмы Zenith Radio Corporation. Но их подлинный триумф состоялся весной 1971 года, когда Texas Instruments выпустила в продажу первый в мире электронный калькулятор Pocketronic (интересно, что он появился в магазинах 14 апреля, как раз накануне официальной даты представления налоговых деклараций). Команда Килби разработала его четырьмя годами ранее — столь значительная задержка опять-таки была обусловлена трудностями массового производства. Стоила эта игрушка $150, весила больше килограмма, печатала результаты на термочувствительной бумаге (дисплея не было вовсе) и к тому же была обучена только четырем действиям арифметики. Тем не менее Pocketronic имел колоссальный успех — уже в 1972 году объем его продаж достиг пяти миллионов. А в ноябре того же 1971 года фирма Intel Corporation, созданная покинувшими корпорацию Fairchild Нойсом и Муром, представила первый в мире универсальный микропроцессор, знаменитый Intel 4004, начав новую — компьютерную — эру в истории человеческой цивилизации.

Для начала давайте разберемся что такое BGA. BGA (Ball grid array) - это микросхема, которая припаивается на плату с помощью большого массива шариков припоя. Такой метод используется для упрощения конструкции выводов и монтажа на плату, но он сложен тем, что установка таких микросхем требует дополнительного оборудования.

Сам BGA чип напоминает бутерброд, который состоит из нескольких слоёв:

Кристалл
BGA шарики
Подложка из текстолита

Кристаллы всегда заливают дополнительным компаундом, чтобы усилить крепость с подложкой, иногда их покрывают чёрным слоем, чтобы их вообще не было видно. Такая конструкция очень крепкая и её можно сломать только деформируя механически.

Популярнее всего в ремонте замена:

Графического процессора, GPU, видеочипа
Северного моста
Южного моста, чипсета, хаба
Видеопамяти видеокарты
Центрального процессора, CPU, комбайна, SOC

Ноутбуки
Видеокарты
Материнские платы ПК
Моноблоки
Macbook
iMac
Mac PC

Роль ИК-станции для замены BGA чипов

Инфракрасная станция это поддон с керамическими плитками, на которые подаётся напряжение и они греются. ИК-станция нужна чтобы равномерно нагревать плату при замене BGA чипа.

Дело в том, что текстолит имеет плохую теплопроводность: тепло быстро рассеивается, слабо удерживается и плохо распределяется. Поэтому мы греем платы с нижней стороны равномерно и по всей площади с помощью ИК-станции. Плитки медленно нагревают воздух, а воздух в свою очередь медленно разогревает плату.

Если паять без нижнего подогрева плату с BGA чипом, причём дуя на него, например, феном, то грелись бы только верхние слои всего BGA бутерброда и температура сверху (на кристалле) была бы намного больше, нежели внизу, где шары и посадочная площадка, а сама плата под чипом вообще была бы холодная.

Такого быть не должно, потому что кристалл не любит высоких температур и может начать деградировать от их воздействия или просто лопнуть.

Даже в случае, если разогреть весь BGA бутерброд и его нижнюю часть до температуры плавления припоя снизу, то всё равно нельзя его припаивать на плату, потому что плата под чипом холоднее и припой просто не сможет хорошо припаяться. Сама конструкция начнёт разваливаться на глазах, чернеть и начнёт взбухать текстолит на подложке (отслаиваться). Такой BGA чип и плату уже не восстановить.

Чтобы избежать такого исхода мы и используем нижний подогрев. Помимо этого, если использовать только локальный подогрев, то в другом месте, где плата холодная, она начнёт выгибаться и посадить чип уже проблематичнее. Это происходит из-за конструкции текстолита.

Текстолит имеет множество слоёв, и в случае, когда в одном месте он разогрет, а в другом нет, то в месте, где "соприкасается" разогретый слой с холодным, он расширяется, но расширяются не все слои как положено, а только некоторые. Из-за этого и выгибает плату. Чтобы всего этого избежать мы используем ИК-паяльную станцию.

Равномерно нагревая всю плату снизу мы можем смело греть сверху BGA чип даже феном, потому что тепло сразу же и сверху, и снизу. В таком случае мы можем рассчитывать, что нам потребуются меньшие температуры для нагревания BGA бутерброда, и в следствии мы не "ужарим" кристалл.

BGA — это тип корпуса микросхем. Микросхема припаивается при помощи шариков к плате. Благодаря этому уменьшается площадь платы, и повышается компоновка в целом. Основные неисправности при этом это так называемый отвал микросхемы от платы. Поговорим поподробнее об основных способах накатки, трафаретах и процессе пайки.

Что такое микросхемы BGA

В зависимости от назначения и устройства микросхемы бывают разного размера, что в свою очередь влияет на диаметр и шаг шариков.

Например, мост от материнской платы компьютера и процессор от смартфона отличаются колоссально (еще меньше разве что шарики от процессора к подложке).

Так же BGA микросхемы часто покрывают компаундом в целях охлаждения, защиты от влаги и механического воздействия, однако при этом получается намного сложнее сделать замену такой микросхемы.

Что нужно для пайки BGA

Паяльная станция (фен и паяльник), припой (bga паста или шары), пинцет, изопропиловый спирт (или бензин калоша), оплетка для снятия припоя, термоскотч и трафареты. Еще понадобится нижний подогрев и инструменты для удаления компаунда с платы (химикаты, острые пинцеты и лезвия).

Какие бывают трафареты

Трафареты бывают очень разные.

Шаг между контактами, диаметры шариков и их уникальное расположение могут потребовать свой уникальный рисунок. Иногда они продаются как отдельно друг от друга, так и в сборке. Например, для iPhone разных моделей продаются прямоугольные трафареты сборники, где есть все необходимые рисунки.

На фотографии сверху расположен трафарет для процессора iPhone. Он универсален, и отлично подойдет для MTK процессоров.

Универсальные трафареты подходят только в том случае, если шаг и диаметр шариков совпадает и нет хаотичного расположения. То есть, контакты должны быть прямолинейными, но если контакты находятся чуть-чуть не по прямой линии, то тут такие трафареты не особо помогут. Специализированные же имеют рисунок, и ими легче наносить шарики.

Однако не всегда в наличии есть нужный трафарет и его отдельно приходится заказывать. Так же есть и 3D трафареты, которые очень удобно крепятся. Есть как одиночные трафареты, так и на одном листе все сразу.

Еще к трафаретам предъявляются высокие требования качества. Они не должны быть гнутыми, мятыми, иметь большие царапины, резко гнуться от небольшого нагрева. Также имеет значение качество отверстий. Они должны быть строго по рисунку BGA, одинаковых размеров и без перекосов.

Припой

Есть два основных типа припоя для накатки шаров.

Паяльная паста

Паяльная паста — это тоже самое, что и обычный припой с флюсом. Только она имеет пастообразную форму.

В этой пасте содержится флюс и микроскопические шарики из припоя.
Преимущества пасты:

Пасту удобно наносить на трафарет;
Не требует много места для хранения;
Можно использовать на любом трафарете;
Позволяет восстанавливать оторванные контакты на микросхеме и плате

Недостатки пасты:

Шары получаются не одинаковых размеров;
Паста со временем высыхает (можно, конечно, разбавить с другим флюсом, но у нее уже не будет прежних свойств);
Шары можно получить только с использованием трафаретов;
Большой расход для крупно габаритных микросхем.

Из популярных — можно использовать пасту от производителя Mechanic. Самые ходовые и популярные — это XG30 и XG50. Продается в небольших баночках (есть разные размеры) и шприцах.

Температура плавления от 180 ℃. Хранится при температура от 0 ℃ до +10℃. Кстати, шарики в этой пасте начинаются с диаметром от 25 микрон (а в некоторых баночках и от 20). Такой диаметр шариков в домашних условиях трудно сделать, поэтому самодельные пасты уступают заводским.

Готовые шарики

Готовые шарики продаются разных диаметров. Бывают как 0,15 мм, так и 1 мм.

Преимущества готовых шаров:

Их проще паять, чем паяльную пасту (именно паять, а не наносить);
Возможность нанесение шаров без трафарета (каждый шарик отдельно припаивается на микросхему);
Одинаковые размеры шаров, по сравнению с пастой;
Лишние шарики после накатки можно использовать повторно/

Недостатки готовых шаров:

Нужно покупать много шариков разных диаметров, поэтому итоговая стоимость будет выше, по сравнению с пастой;
Неудобное нанесение шариков на трафарет, их нужно перебирать и отсеивать лишнее;
Требуется дополнительный флюс.

Выбор зависит в целом от потребностей и навыков. Кому-то проще будет с пастой. А при ремонте ПК, пасты будет мало, поэтому шары будут экономичнее. Все зависит от ситуации.

Какой паяльный флюс выбрать для BGA

Лучше всего подойдет пастообразный или гелевый флюс. Не пытайтесь паять жидкой канифолью или жиром. Канифоль и жир слабо распределяют температуру по шарикам, и еще начинают кипеть при нагреве. А это большой риск, поскольку микросхема может подскочить из-за большого парообразования. И в таком случае шарики слипнуться.

К тому же, спирто-канифоль будет негативно влиять на контакты под микросхемой.

Из бюджетных вариантов подойдет RMA 223 или его высококачественные клоны. Не покупайте дешевые подделки, которые стоят меньше 4$. Они плохо смачивают припой.

Отечественный вариант флюса для BGA — Interflux (интерфлюкс) IF 8300.

Если позволяет бюджет, то можно попробовать Martin HT00.0017.

Накатка шаров

При накатке шаров необходимо использовать чистый и ровный трафарет (особенно при пайке пастой).

Пример гнутого и грязного трафарета. Он не подойдет для накатки.

Если вы будете использовать гнутый и не ровный трафарет во время накатки шаров с помощью паяльной пасты, то весь припой слипнется под трафаретом. Это бесполезно.

Сама микросхема очищается от старых шаров, но не под корень, чтобы было легче установить ее на трафарет. Трафарет нужно установить ровно, чтобы все контактные площадки было видно через трафарет, без перекосов.

Пайка небольшой BGA eMMC микросхемы

Чистим микросхему изопропанолом. Ее контакты должны быть ровными. Если есть припой — удалите паяльников. Микросхему и трафарет во время пайки надо класть только на салфетки или деревянные дощечки. Металлическая поверхность будет впитывать в себя тепло, а деревянная, бумажная или воздушная нет.

Чем крепить микросхему к трафарету

Есть несколько вариантов. Первый — это термоскотч. Он быстро крепится, не оставляет после себя много клея и не экранирует высокую температуру. Из недостатков — быстро отклеивается и не надежно крепится по сравнению с алюминиевым термоскотчем скотчем.

Алюминиевый скотч надежно крепится к плате, но оставляет после себя много клея и экранирует температуру.

С одной стороны, алюминиевый лучше крепится, с другой быстрее и практичнее использовать обычный термоскотч. Начните учится с алюминиевого, пробуйте разные варианты.

Нанесение пасты

Пасту наносим обычной зубочисткой или лопаткой. Можно использовать ватные палочки, но они впитывают в себя много пасты.

На поверхности трафарета не должны оставаться большие комки припоя, иначе они слипнуться и придется их отпаивать.

Придерживание трафарета

Если во время нагрева трафарет начинает гнуться, и не получается нанести шары, то его нужно придерживать пинцетом.

Давить нужно не сильно, небольшим давлением. Нагреваем трафарет сначала до 100 °C, затем увеличиваем до температуры плавления пасты. Обычно это от 200 до 260 °C. Шарики должны сформироваться постепенно. Если быстро повысите температуру — флюс в паяльной пасте начнет кипеть и припой выпрыгнет с трафарета. Придется начинать все заново

Стекло и тачскрин

Также можно использовать стекло или тачскрин, чтобы придерживать трафарет.

Если перепады температур и давление буду высокими, то стекло может треснуть и лопнуть. Будьте осторожней и внимательны, используйте защитные очки.

Как снять микросхему с трафарета

Нельзя резко снимать микросхему с трафарета, гнуть его или выковыривать. Можно погнуть трафарет или сорвать BGA контакты. Если не получается снять микросхему, посмотрите на сторону отверстий. Припой на лицевой стороне не должен слипнуться с трафаретом. Попробуйте почистить трафарет с микросхемой изопропанолом или бензином Калоша щеткой несколько раз.

Далее, нагрейте микросхему до 120 °C в течении 30 секунд. Микросхему можно снимать пинцетом и только слегка разогнув трафарет, без резких движений.

Видео с примером

На видео используется другая микросхема, и пайка без пинцета.

Перекатываем шары на южном мосте

На этой микросхеме сначала нужно восстановить контакты.

Восстановление контактов

Наносим паяльную пасту тонким слоем и начинаем греть феном с 100 °C, плавно повышая до 200 °C.

И паяльная паста начинает зауживать контакты микро шариками. Почему не паяльником и обычным припоем? Они хуже подойдут для такой работы. Фен равномерно нагревает контакты, и микро шарики не слипаются сразу в большой комок припоя. А остальной припой убираем паяльником.

Один из участков восстановлен.

Таким образом проходим по всем контактам. После восстановления и удаления лишнего припоя чистим контакты изопропанолом и ватой.

Еще один способ крепления

Микросхема большая, поэтому трафарет одиночный. Для одиночных трафаретов есть специальный крепеж. Это каретка с двумя фиксаторами и пружина. Крепится шестигранником.

Фиксируем микросхему в крепеже и ровняем ее согласно шагу трафарета.

Нанесение пасты и пайка

Наносим паяльную пасту равномерно по всей площади.

На контактах микросхемы должно быть достаточно пасты, без дефицита и без перебора.

Круговыми движениями прогреваем трафарет сначала до 100 °C. Плавно повышаем температуру и одного края медленно нагреваем до 200 — 250 °C. Постепенно паста начнет превращаться в припой.

Чистим трафарет изопропанолом, чтобы разбавить флюс. Снова нагреваем трафарет до 100 °C в течении 20 секунд.

При помощи лезвия аккуратно поддеваем трафарет без резких движений со всех сторон и он сам отлипнет от южного моста (микросхемы).

Чистим микросхему от ненужных шариков и флюса. Теперь осталось подравнять шарики. Наносим флюс каплями по всей площади.

Нагреваем микросхему и шарики начинают равномерно распределяться на своих местах. После этого снова чистим микросхему от флюса.

Крепим трафарет к микросхеме и проверяем качество и наличие шариков.

Результат пайки.

Немного о нижнем подогреве

Далее, микросхема припаивается к плате. Такие массивные BGA детали трудно припаять к плате только с помощью фена. Мастера в сервисных центрах используют нижний подогрев. Он помогает разогреть плату. Обычно используются инфракрасные паяльные станции для пайки материнских плат.

Несмотря на то, что мобильные BGA микросхемы можно паять только феном, для уменьшения риска плохой пайки или отрыва контактов, мастера также используют нижний подогрев. Он меньше, чем для материнских плат, но не менее эффективен.

Готовые шары и способ нанесения

Отличается от пасты способом нанесения. Нанесите на микросхему флюс. Он нужен для того, чтобы склеить микросхему и трафарет на время пайки. И затем положите в контейнер трафарет с приклееной микросхемой и насыпьте шарики нужного диаметра. Зубочисткой распределите шарики и удалите лишние.

Пайка аналогична пасте.

Что такое компаунд и как его удалить с платы

Компаунд — это смола, которая позволяет увеличить прочность платы и уменьшить температуру работы микросхем. Также спасает плату при попадании влаги

Если нужно перепаять микросхему, компаунд придется удалить. Его наносят по разному. Производители могут нанести по краям контактов с SMD деталями. А могут и залить полностью.

Чем удалить смолу с платы

Можно удалить механически. Для этого нагреваем плату феном до 150 °C и зубочисткой или металлическим пинцетом снимаем кусочки компаунда с платы. Не всегда получается так сделать.

Еще можно попробовать химические растворители. Обычно продаются в магазине запчастей для мобильных телефонов.

А чтобы выпаять микросхему, у которой под контактами компаунд, нужен режущий пинцет. Процедура пайки аналогично обычной, но в этот раз нужно срезать компаунд.

BGA пайка процессора на примере планшета

Планшет загружался через раз. При давлении на процессор проходит экран загрузки, но процент зарядки 0%. Смена аккумулятора и попытки прошить аппарат ни к чему не привели. Так же режим инженера не доступен.

Возле процессора есть много рассыпухи, лучше закрыть ее плотным алюминиевым скотчем, чтобы случайно не сдуть.

Выпайка процессора

Обязательно нужно сфотографировать место пайки, чтобы не было проблем определить в какой стороне находится ключ. Сначала место пайки прогревается 100 — 150 °C на максимальном потоке воздуха. Где-то после минуты постепенно увеличиваем температуру. 200 °C, 250 °C и потолок 310 °C — 320 °C. При температурах от 250 пытаемся аккуратно пинцетом покачивать процессор. Если он стоит на мертво, то ждем еще (или увеличиваем температуру, но не больше 320 °C). Когда процессор от одного прикосновения пинцета пошатывается, то время снимать его. В данном случае все защищено фольгой, то риск задеть рассыпуху минимален, поэтому пинцетом можно откинуть его на плату.

Убираем припой

Лучше не использовать оплетку, дабы избежать повреждения маски. При помощи паяльника и немного припоя на жале (для разбавки припоя с тем, что на плате) легкими и не резкими движениями проходим по площадкам. Естественно перед этим наносим флюс на плату. Та же процедура и с самим процессором. Важно не перегреть его и не сорвать пятак.

Кстати, после выпайки обнаружилось, что на нескольких контактах был отвал процессора от платы. Так как слой меди был на процессоре целый, то удалось заново залудить оторванные контакты с шарами.

Реболлинг процессора

Реболлинг — это перепайка микросхемы. Это не замена старой на новую, по сути обновляются шарики на микросхеме для лучшего контакта с платой.

При помощи паяльной пасты и трафарета наносим новые шарики на процессор.

Температура пайки значительно ниже. 180 °C — 200 °C. Закрепляем процессор на трафарет при помощи все того же алюминиевого скотча.

После трафарета чистим процессор и наносим немного флюса. Затем снова греем его, чтобы шары точнее встали на свои места и лучше расплавились. Чистить после этой процедуры.

Затем, перед установкой, на плату ровным слоем наносим флюс. При помощи лопаток или зубочисток распределяем его равномерно, чтобы все контакты хорошо пропаялись и процессор не поплыл.

Ставим процессор по ключу и позиционируем его края. Так как вокруг много скотча это не составит особого труда. После этого также сначала греем плату на 100 — 150 °C, затем увеличиваем до 200 °C — 230 °C и аккуратно пытаемся пинцетом прикоснуться дабы убедиться, расплавился припой или нет. Если сделать это резко, то придется повторять все заново т.к. шары слипнуться.

Планшет начал включаться уже и без давления на процессор, однако после загрузки он выключался на 0%. Только теперь уже можно войти в режим инженера и попытаться сбросить планшет. После сброса аппарат включился нормально и показывает процесс зарядки, остаток и перестал отключаться.

Теперь нужно тщательно проверить все его функции. Камера, звук, микрофон, Wi-Fi, тачскрин.

Видео по теме

Альтернативная пайка BGA микросхем

Очень интересно видео. Способ накатки шаров паяльником без трафарета.

Читайте также: