Naprawa laptopów a awaryjność układów BGA.

W dzisiejszym artykule z cyklu „Naprawa laptopów” postaramy się przybliżyć nieco tematykę naprawy laptopów pod kątem usterek układów scalonych w technologi BGA. Opiszemy dlaczego w niektórych przypadkach, jako jedyna możliwość naprawy laptopa, zalecana jest wymiana całego układu BGA na nowy. Opiszemy także w skrócie budowę najczęściej stosowanych układów BGA, co lepiej pozwoli zrozumieć genezę występujących w nich problemów. Zapraszamy do lektury.

Naprawa laptopów – schematyczna budowa układu BGA.

Na wstępie należało by przedstawić budowę najczęściej stosowanego w laptopach modelu konstrukcyjnego układów BGA. Poniżej schemat przedstawiający przekrój takiego układu:

Jak widać na powyższym rysunku, kulki stosowane są za równo do połączenia rdzenia będącego sercem układu, z jego obudową, czyli laminatem. W przypadku niektórych układów, dosyć często błędnie przyjmuje się, że naprawa laptopa, to kwestia wymiany kulek łączących układ z płytą główną na których powstały tak zwane zimne luty.

Pomimo tego iż faktycznie, niekiedy takie postępowanie jest właściwe, trzeba jednak umieć dokonać właściwej diagnozy, aby nie naprawiać laptopa bezcelowo, wykonując wymianę kulek, które w rzeczywistości nie są przyczyną problemu. Choć dość często taka wymiana przywraca do życia w ten sposób naprawionego laptopa – jest to jednak tylko pozorna naprawa – można by nawet powiedzieć, że półśrodek. W dalszej części artykułu wyjaśnimy dlaczego. Teraz przyjrzyjmy się budowie układu BGA „na żywo” czyli na jednym z modeli bardzo często stosowanych w laptopach.

Naprawa laptopów – rzeczywista budowa układu BGA.

Za przykład posłuży nam tutaj układ graficzny znanego producenta nVidia, model GeForce 7600. Na potrzeby artykułu poświęciliśmy jedną sztukę wymontowaną z laptopa, który został naprawiony poprzez zamontowanie nowego układu. Poniżej zdjęcie układu z zaznaczonymi tymi samymi elementami, które zostały opisane na schematycznej budowie układu:

Nie widać tutaj jednak kulek łączących rdzeń układu z jego obudową. Widok ten zakrywa klej, który należy usunąć. Można w tym miejscu wspomnieć, że ów klej jest jednym z winowajców awaryjności układów, ale więcej o tym w dalszej części artykułu. Teraz zobaczmy jak wygląda układ z usuniętym klejem oraz z profilu.

Boczny widok układu z usuniętym klejem. Pomiędzy krzemem a obudową da się zauważyć przestrzeń w której widoczne są kulki łączące oba te elementy:

Jeszcze jedno zdjęcie tym razem z innego ujęcia:

Tutaj mamy ogólny widok na serce układu czyli małą krzemową kostkę, oraz na resztę  – czyli organiczną obudowę. Widać także mnóstwo małych kropek – to są właśnie kulki łączące krzem z obudową:

Przyglądnijmy się jeszcze z bliska:

Tak więc mając już obraz tego jak wygląda konstrukcja najpopularniejszych układów BGA w teorii oraz w praktyce, wyjaśnijmy skąd się biorą ich awarie.

Naprawa laptopów – przyczyny wadliwości układów BGA.

W tym miejscu nie potrzeba się zbyt wiele rozpisywać. Przyczyna awarii układów BGA samych w sobie, jest bliźniacza do awarii nazywanej „zimne luty„. Mamy tutaj także do czynienia z pękaniem kulek łączących elementy, tylko że w tym przypadku pękają widoczne powyżej mikrokuleczki pomiędzy krzemowym rdzeniem a obudową układu.

Dlaczego więc często reballing, czyli wymiana kulek pomiędzy układem a płytą główną laptopa rozwiązuje problem?

Dlatego, że podczas standardowego procesu reballingu, układ BGA przechodzi co najmniej 3 cykle grzewcze w temperaturach topnienia spoiwa. Takie kilkukrotne nagrzewanie układu, poprawia pęknięte połączenie między krzemem a obudową układu, jednak nie czyni go już tak trwałym, jakim być powinno, stąd często pojawia się teoria, iż awarie układów BGA są spowodowane połączeniem miedzy płytą główną a układem.

Inną kwestią jest to, że tego typu awarie mają najczęściej miejsce w układach jednego z producentów. Po długich bataliach i dochodzeniach, tenże producent oficjalnie przyznał się, że wyprodukował wadliwą serię układów BGA. Głównym błędem konstrukcyjnym było zastosowanie złego stopu spoiwa łączącego krzem z obudową układu, oraz zastosowanie złego rodzaju kleju, który tracił stabilność już w temperaturze około 60 stopni C, czyli w temperaturze roboczej, która jest standardową temperaturą pracy dla tego typu układów.

Naprawa laptopów – konkluzja.

Powstaje pytanie, dlaczego nie naprawić by połączenia między krzemem a obudową układu – niestety jest to niewykonalne, ze względu na złożoność procesu technologicznego wymaganego do takiej operacji. Praktycznie żaden serwis laptopów nie dysponuje sprzętem na którym można by takie naprawy przeprowadzić.

Prawda jest taka, iż układy, które wiadomo, że są wadliwe, powinno się bezzwłocznie wymienić na nowe, jeśli chcemy mieć pewność, że nasz laptop po takiej naprawie podziała jeszcze kilka następnych lat.

Reballing takich wadliwych układów BGA to prawdziwa loteria. Bywa, iż taki układ po reballingu będzie działał następny rok, a bywa tak, że zepsuje się po kilku miesiącach. Dlatego większość serwisów, w tym i nasz, stara się zachęcić klientów do wymiany takich układów na nowe, na co udziela nawet roczną gwarancję.