Co to jest lutowanie BGA i kiedy jest potrzebne?

Lutowanie BGA to technika montażu układów w obudowie typu BGA. Lutowanie układów scalonych BGA jest konieczne, gdy dojdzie do przerwania połączenia między układem i podłożem. Dowiedz się, jakie symptomy wskazują na problem z układem BGA i dlaczego naprawę BGA najlepiej wykona profesjonalny serwis elektroniki.

Czym jest technologia BGA i gdzie znajduje zastosowanie?

BGA (ball grid array) to nazwa rodzaju obudowy układów scalonych – układ BGA wyróżnia się zastosowaniem sferycznych wyprowadzeń ułożonych w gęstą siatkę (raster). Układy typu BGA łatwo rozpoznać, ponieważ duża część ich spodniej powierzchni jest pokryta kulistymi wyprowadzeniami (kulkami) wykonanymi ze spoiwa lutowniczego.

Technologia BGA ma zastosowanie w montażu powierzchniowym elementów elektronicznych (SMD). Umożliwia ona gęstsze upakowanie komponentów i w konsekwencji zmniejszenie rozmiarów urządzenia. Układy scalone BGA są dziś powszechnie wykorzystywane – w komputerach stacjonarnych, laptopach, smartfonach, tabletach, konsolach i sprzęcie audio-video.

Na czym polega lutowanie BGA?

Lutowanie układów scalonych w obudowie BGA w warunkach produkcyjnych odbywa się w piecach lutowniczych. Płytki drukowane (PCB) z ułożonymi na nich komponentami – układami BGA i innymi elementami SMD – są w ich wnętrzu przesuwane na taśmie, a następnie w kontrolowanych warunkach rozgrzewane do określonej temperatury. W rezultacie znajdujące się między układem BGA a podłożem kulki wykonane z lutowia ulegają stopieniu, a po wystygnięciu tworzą trwałe połączenie lutowane.

W serwisie, który oferuje profesjonalne lutowanie elektroniki (np. reballing BGA), układy BGA są lutowane z wykorzystaniem specjalnej stacji lutowniczej na podczerwień. Za pomocą tego urządzenia możliwe jest osiągnięcie optymalnej temperatury bez ryzyka uszkodzenia lutowanych elementów i płytki PCB.

Jakie objawy mogą wskazywać na uszkodzenie układu BGA?

Objawy uszkodzenia układu BGA lub połączenia lutowanego są zróżnicowane – od subtelnych aż po brak reakcji na próby uruchomienia urządzenia. Najczęstsze symptomy to:

• problemy z działaniem urządzenia (zawieszanie się, wyłączanie się) występujące pod wpływem wstrząsów, wibracji lub zmian temperatury;
• artefakty w przypadku układów graficznych;
• zwarcie, brak możliwości uruchomienia urządzenia.

Kiedy konieczne jest lutowanie lub wymiana układu BGA?

Mimo że technologia BGA umożliwia miniaturyzację urządzeń elektronicznych, to ma pewne wady – jedną z nich jest podatność na uszkodzenia mechaniczne. Lutowanie lub wymiana układu BGA jest konieczne, gdy urządzenie przestaje działać poprawnie a symptomy wskazują na problem z BGA. Kiedy wystarczy jedynie lutowanie, a kiedy niezbędna jest wymiana układu? Oto przykłady:

• lutowanie BGA – może pomóc, gdy przyczyną usterki jest uszkodzenie połączenia lutowanego, np. przerwany lub zimny lut;
• wymiana układu BGA – przeprowadza się ją, gdy powodem niesprawności urządzenia jest uszkodzony układ BGA, konieczny jest montaż nowego układu (czynności obejmują również lutowanie).

Ze względu na wymogi tych procesów najlepiej, aby taką naprawą zajął się wyspecjalizowany serwis oferujący precyzyjne lutowanie elektroniki.

Lutowanie BGA a reballing – jakie są różnice?

Lutowanie BGA to ogólna nazwa czynności serwisowej, która może zostać wykonana z wykorzystaniem starego lub nowego spoiwa lutowniczego. W pierwszym przypadku mowa o naprawie typu reflow, a w drugim o tzw. reballingu.

Reflow to procedura polegająca na podgrzaniu układu BGA bez jego demontażu, aby przywrócić ciągłość połączenia lutowanego. Reballing to z kolei naprawa obejmująca demontaż układu, jego oczyszczenie i wymianę spoiwa lutowniczego na nowe.

Jak przebiega profesjonalna naprawa układów BGA?

Profesjonalna naprawa układów BGA jest kompleksowa. Po diagnozie problemu, układ BGA będący przyczyną usterki jest demontowany z użyciem stacji lutowniczej. Taki układ jest następnie czyszczony lub wymieniany na nowy. Serwisant usuwa również stare spoiwo z płytki PCB.

Aby układ BGA można było ponownie zamontować, konieczne jest naniesienie nowego spoiwa (kulek). W tym celu wykorzystuje się dedykowaną matrycę i specjalną pastę. W następnym kroku układ zostaje umieszczony na płytce i wlutowany.

Dlaczego lutowanie BGA wymaga specjalistycznego sprzętu?

Lutowanie BGA jest procesem wymagającym zastosowania profesjonalnego sprzętu z uwagi na konieczność ścisłej kontroli temperatury. Problem stanowią również niewielkie rozmiary układów BGA i połączeń lutowanych oraz brak dostępu do wyprowadzeń, co utrudnia inspekcję.

Rozwiązaniem tego pierwszego problemu jest specjalistyczna stacja lutownicza, która umożliwia zastosowanie profili lutowniczych odpowiednich dla naprawianego urządzenia. Taki sprzęt pozwala też precyzyjnie kontrolować temperaturę płytki PCB i układu BGA z wykorzystaniem czujników. Gdy mowa o niewielkich rozmiarach i inspekcji układów BGA, profesjonalny serwis wykorzystuje w tym celu np. mikroskop i endoskop.

Najczęstsze błędy podczas napraw układów BGA

Mikrolutowanie elektroniki wymaga wiedzy, doświadczenia i niezbędnego wyposażenia – stąd nietrudno o błędy. Jakie są najczęstsze problemy związane z naprawami układów BGA? To choćby:

• przylutowanie układu w nieprawidłowej pozycji;
• zimne luty;
• ubytki lutowia i pominięte kulki;
• delaminacja płytki PCB;
• uszkodzenia sąsiednich elementów wywołane wysoką temperaturą.

Sposobem na uniknięcie wymienionych błędów jest oddanie czynności takich jak naprawa płyt głównych, lutowanie gniazd czy lutowanie BGA w ręce doświadczonych specjalistów z centrum serwisowego Redbee.

FAQ – najczęściej zadawane pytania

• Co oznacza skrót BGA?

Skrót BGA pochodzi od terminu „ball grid array”, co można przetłumaczyć jako siatka kulkowa lub matryca kulkowa. Nazwa ta opisuje, w jaki sposób ułożone są wyprowadzenia na obudowie układu scalonego.

• Po czym poznać uszkodzony układ BGA?

Dla uszkodzeń układu BGA charakterystyczne jest m.in. występowanie symptomów pod wpływem temperatury lub wibracji. Przykładem mogą być artefakty graficzne pojawiające się po uruchomieniu gry w przypadku uszkodzenia karty graficznej.

• Czy każdy układ BGA można naprawić?

Same układy BGA rzadko kiedy podlegają naprawie. W większości przypadków czynności serwisowe polegają na naprawie połączenia lutowanego lub wymianie niesprawnego układu.

• Ile kosztuje lutowanie BGA?

Koszt lutowania BGA jest zróżnicowany – wycena naprawy zależy od stopnia skomplikowania usterki. Zlecając naprawę uszkodzonego układu BGA, trzeba się przygotować na wydatek ok. 500 zł.

• Czym różni się reballing od wymiany układu BGA?

Reballing układu BGA polega na wykonaniu nowego połączenia lutowanego – usunięciu starego lutowia, aplikacji nowego i ponownym wlutowaniu starego układu. Z kolei wymiana układu BGA to wlutowanie nowego układu scalonego w miejsce starego.

• Czy lutowanie BGA jest trwałe?

Lutowanie układów scalonych BGA zapewnia trwałe połączenie pomiędzy komponentem a podłożem. Warto jednak pamiętać, że metoda BGA ma pewne ograniczenia. Dla przykładu: krótkie, kuliste doprowadzenia mają mniejsze możliwości zaabsorbowania naprężeń niż połączenia wykonane w innych technologiach, co prowadzi do ich częstszych uszkodzeń mechanicznych.

• W jakich urządzeniach najczęściej występują układy BGA?

Uszkodzony układ BGA może odpowiadać za awarię wielu urządzeń elektronicznych – układy tego typu najczęściej można znaleźć w laptopach, komputerach, telewizorach, smartfonach, tabletach i konsolach. Występują one również w sprzęcie profesjonalnym, np. urządzeniach przemysłowych i medycznych.