BGA – co to jest, jak wygląda – definicja.

Układ BGA nVidia

BGA (z angielskiego – „Ball Grid Array”). BGA jesty typem obudowy układów scalonych. Obudowa BGA charakteryzuje się sferycznymi połączeniami w siatce rastrowej – połączenia z reguły znajdują się na spodzie układu scalonego.

Obudowy BGA stosuje się w elektronice do powierzchniowego montażu (SMT). Charakterystyczną cechą układów BGA jest ich montaż do podłoża za pomocą kulek o określonej średnicy. Kulki te wykonane są z cyny lub stopu cyny z innymi metalami (ołów, srebro) w odpowiednich proporcjach.

Wady i zalety technologii BGA

Przekrój układu BGA wlutowanego na płytkę.

Główną zaletą obudów typy BGA jest ilość połączeń które można wyprowadzić na spodzie układu scalonego w porównaniu do ilości jakie można zmieścić na

krawędziach układu o tych samych rozmiarach (spód układu ma o wiele większą powierzchnię niż suma powierzchni wszystkich 4 krawędzi danego układu). Inną zaletą układów w obudowa BGA jest samopozycjonowanie się komponentu w trakcie wlutu, jednak nadmienić należy iż układ BGA przed wlutowaniem i tak należy ustawić tak aby kulki stykały się z polami lutowniczymi płytki – dopuszczalna różnica przesunięcia jest
tutaj minimalna i wynosi w zależności od rozmiaru kulki 0,2-0,5 mm. Do precyzyjnego pozycjonowania układów BGA używa się specjalistycznych systemów optycznych działających na zasadzie pryzmatu.

Pozycjonowanie układu BGA

Do wad układów BGA zaliczyć można podatność na uszkodzenia mechaniczne – głównie naprężenia powierzchni na której układ jest montowany – stąd istotne jest aby w procesie wlutu układu powierzchnia do której jest lutowany była idealnie płaska. Innymi wadami są błędy powstające już w trakcie procesu wlutu: Zwarcie między kulkami, niewystarczający rozpływ (niedolutowanie wszystkich kulek), zimny lut (ujawniający się najczęściej po pewnym czasie pracy układu).

Zastosowanie technologii BGA

Układy w obudowie BGA znajdują zastosowanie głównie w urządzeniach mobilnych – praktycznie w każdym współczesnym telefonie komórkowym, palmtopie, tablecie czy laptopie. Generalnie układy BGA znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest duża ilość wyprowadzeń (połączeń) na małej powierzchni.

Sposób lutowania układu BGA

Do lutowania (montażu) układu BGA należy dysponować specjalistyczną stacją lutowniczą. Stacje do lutowania układów BGA można podzielić na dwie kategorie: stacje na gorące powietrze (HOT-AIT) oraz stacje na podczerwień (INFRARED).

Stacje na gorące powietrze HOT-AIR działają w oparciu o grzałkę przez którą pod ciśnieniem przepływa gorące powietrze, skierowane za pomocą dyszy (NOZZLE) na układ BGA.
Stacje na podczerwień(INFRARED) działają w oparciu o grzałki ceramiczne emitujące promienie podczerwone które nagrzewają układ BGA.

Lutowanie BGA jest procesem skomplikowanym i złożonym. Podstawowymi kryteriami podczas lutowania układu BGA są:

• Zastosowanie odpowiedniego przyrostu temperatury w czasie (twz. profil BGA).
• Zastosowanie odpowiedniego rodzaju topnika o odpowiednim progu i czasie aktywacji.
• Zachowanie podstawowych zabezpieczeń ESD (przed wyładowaniami elektrostatycznymi).
• Odwilgocenie lutowanych komponentów, jeśli istnieje podejrzenie, że mogły być przechowywane w niewłaściwych warunkach.

Wykres przyrostu temperatury w czasie (tzw. profil lutowania).

Stacja na podczerwień (INFRARED)

Stacje na gorące powietrze (HOT-AIR)

Przykłady lutowania BGA

Poniżej można zobaczyć dwa przykłady lutowania układu BGA na przykładzie laptopów.

Pierwszy przykład w postaci filmu przestawia demontaż starego układu oraz montaż nowego, w filmie szczegółowo opisano wykonywane czynności:

Drugi przykład w postaci szczegółowego opisu wraz ze zdjęciami, także przestawia demontaż starego układu BGA w laptopie oraz montaż nowego:

• DEMONTAŻ I MONTAŻ BGA

Usterki połączeń BGA i ich naprawa

Najczęstszą i w zasadzie jedyną usterką połączeń BGA, która ujawnia się dopiero w trakcie eksploatacji układu BGA, są tzw. zimne luty, czyli pęknięcie połączenie między układem BGA a płytką.

UWAGA WAŻNE!

Należy umieć poprawnie zdiagnozować zimne luty, gdyż istnieją układy BGA w których krótkotrwałe działanie wysokiej temperatury chwilowo przywraca je do funkcjonowania co może powodować mylne stwierdzenie wystąpienia zimnych lutów! W takim przypadku reballing tych układów będzie bezcelowy. Więcej na ten temat w artykule: Kiedy reballing a kiedy wymiana układu.

Widoczne oderwanie układu od spoiwa (zimny lut).

Zimne luty najczęściej są następstwem jednego z błędów popełnianych na poziomie montażu układu BGA – niewystarczającego rozpływu. Mogą one także powstawać wskutek naprężeń, wskutek zjawiska rozszerzalności cieplnej, gdy układ BGA pracuje w wysokich temperaturach a także wskutek starzenia się i korozji spoiwa.

Jako że pod tak powstałym pęknięciem często gromadzą się tlenki i inne zabrudzenia, należy w takim przypadki wykonać procedurę naprawczą pozwalającą przywrócić poprane połączenie. Procedura ta została przestawiona poniżej.

Przykłady naprawy połączeń BGA

Metodą naprawy tej usterki jest tzw. reballing BGA – czyli wylutowanie układu z płytki, naniesienie na niego nowego spoiwa (kulek) i jego ponowne wlutowanie na płytkę.

Przedstawimy reballing BGA na dwóch przykładach.

Pierwszy przykład w postaci filmu przedstawia reballing układu BGA w konsoli XBOX 360:

Drugi przykład w postaci szczegółowego opisu ze zdjęciami przedstawia reballing BGA układu w laptopie:

• REBALLING UKŁADU BGA

Więcej treści na temat BGA

Powiązane treści:

• Kiedy reballing a kiedy wymiana układu?

• Przyczyny wadliwości układów BGA

• Zepsuty laptop lub karta graficzna? Uważaj na reballing BGA!

• Laptopy – tani serwis, reballing BGA i naprawa domowym sposobem – PRZESTROGA!

• Reballing BGA na przykładzie laptopa

• Wymiana układu BGA w laptopie

• Wymiana układu BGA na przykładzie HP Pavilion DV6000/9000 [Film]

• Wadliwe układy BGA firmy nVidia – lista