Вторник, Май 22, 2018

Замена Чипсета - BGA ИМС (Южный мост, Северный мост, Видеоадаптер и т.д.) в Харькове или почему нет смысла реболлить ЧИПы

Наиболее частой причиной поломки ноутбука, является несоблюдение температурного режима работы интегральных микросхем (ИМС). Одной из причин является несвоевременное проведение профилактики и чистки ноутбука. Наиболее часто выходят из строя BGA ИМС.

BGA (Ball grid array - в переводе с англ. - массив шариков) - разновидность корпуса интегральных микросхем, поверхностно-монтируемых на электронной плате. Благодаря применению шариковых контактов по всей монтажной поверхности корпуса, удалось значительно увеличить количество выводов на единицу площади, что повысило степень интеграции, миниатюризации и плотности монтажа компонентов. Кроме того, большее количество выводов и увеличенная площадь контакта, позволили увеличить величину рассеиваемой тепловой мощности, а поскольку длина контактных выводов в BGA исполнении уменьшилась, это позволило, дополнительно, еще и увеличить рабочие частоты, снизить величину фоновых наводок и повысить скорость обмена информации.

Следует отметить, что замена вышедшего из строя чипа BGA достаточно трудна, так как требует не только специальных знаний и навыков, но и соответствующего, дорогостоящего оборудования для пайки — инфракрасной паяльной станции или инфракрасного нагревателя.

 

Чипсет (Chip Set , Chipset , чип) – набор микросхем системной логики, осуществляющий взаимодействие элементов системы друг с другом и внешними устройствами. Модель материнской платы является одной из основных деталей ноутбука, характеристики материнской платы в основном определяются чипсетом. Физически чипсет - это одна или несколько микросхем, специально разработанных для обеспечения работы микропроцессора, на чипсет которого возлагается нагрузка по обеспечению процессора данными и командами, а также по управлению периферией (видеокарты, звуковая система, оперативная память, дисковые накопители, различные порты ввода/вывода). Образующие чипсет микросхемы играют роль связующего звена между процессором и всеми элементами архитектуры ноутбука. Чипсет ноутбука определяет не только характеристики и производительность материнской платы, но и обеспечивает поддержку периферийного оборудования различных стандартов. Чипсет материнской платы, помимо прочего, выполняет функции таких элементов ноутбука, как контроллер прерываний, контроллер энергонезависимой памяти (BIOS), системный таймер, контроллер клавиатуры и мыши, контроллер кэш-памяти, контроллер дисковых накопителей. Другой немаловажной характеристикой материнских плат, является тип процессора, который на такую плату можно установить. Чипсет может содержать в себе контроллеры прерываний прямого доступа к памяти, таймеры, систему управления памятью и шиной. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав наборов микросхем для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств.

При демонтаже большинства электронных компонентов в корпусах BGA, шариковые выводы, расположенные на нижней стороне корпуса компонента , необратимо повреждаются. Чтобы использовать такой компонент повторно, операция реболлинга совершенно необходима. Как правило, реболлинг применяется при производстве ремонтных работ, в случае использования в изделии дорогих компонентов, отбраковка которых при демонтаже с печатной платы приведет к неоправданно большим затратам.

Однако, как показывает практика ремонтов, самым надёжным способом устранения неисправности ИМС BGA, является замена данной ИМС. Поэтому наш АСЦ использует данный метод восстановления работоспособности ноутбука, исключительно в диагностических целях. Исключением может быть только пожелание клиента.

Ремонт отдельной видеокарты (Замена видеочипа Без стоимости ЧИПа) 650 грн
Ремонт материнской платы (Замена южного моста Без стоимости ЧИПа) 650 грн
Ремонт материнской платы (Замена северного моста Без стоимости ЧИПа) 650 грн
Ремонт материнской платы (Замена видеочипа Без стоимости ЧИПа ) 650 грн

 

Почему нет смысла реболлить ЧИПы

Обзор упаковки ЧИПа FC-BGA. Причины, следствия, выводы.

Почему нет смысла ребболить ЧИПы или описание процесса временного восстановления ЧИПа от нагрева.

Как всем давно уже известно, последние года для компании NVIDIA прошли не столь радужно. И дело тут не только в выпуске конкуретных продуктов, или достижений, каких-либо революционных в плане производительности устройств. Речь идёт о качестве выпускаемой продукции, как не банально это звучит. И именно на долю NVIDIA пришёлся колоссальный объём брака (дефектных ЧИПов). Официально история началась с :

 

Июль 2008г (официальный пресс релиз) :

NVIDIA представляет данные по второму кварталу финансового 2009 года

 

Компания уменьшает прогнозируемые финансовые результаты по второму кварталу и планирует покрыть расходы, связанные с работоспособностью ноутбуков

 

САНТА-КЛАРА, КАЛИФОРНИЯ—2 ИЮЛЯ, 2008—Компания NVIDIA (Nasdaq: NVDA), мировой лидер в области технологий визуальных вычислений, сегодня представила результаты деятельности за второй квартал, заканчивающийся 27 июля 2008 года.

...

  • NVIDIA планирует взять сумму в размере от 150 до 200 миллионов долларов из дохода за второй квартал, чтобы покрыть ожидаемые расходы на гарантийное обслуживание, ремонт, замену и т.д., из-за слабого материала ядра/упаковки некоторых версий GPU и MCP предыдущего поколения, которые устанавливались в ноутбуки. Некоторые конфигурации ноутбуков с GPU и MCP с определенными материалами ядрами/упаковками не работают чаще, чем обычно, тогда как сбои в случае других ноутбуков не замечены. NVIDIA провела переговоры со своими поставщиками по вопросу используемых материалов и будет пытаться получить страховую выплату по этому случаю.

...

Подробнее об одноразовой выплате по сбоям ноутбуков смотрите в текущем отчете NVIDIA по форме 8-K за 2 июля 2008 года, переданном в Комиссию по ценным бумагам и биржевым операциям.

...

Источник : http://www.nvidia.ru/object/io_1215163662355.html

На практике это оказалось только вершиной айсберга. Данная проблема затронула не только мобильный сектор продуктов NVIDIA, а также практически все десктопные продукты, производимые компанией. Но, также хотелось бы отметить, что данная проблема существовала и ранее, и частично, она затрагивала и других игроков IT рынка, в числе которых Intel, AMD, ATI (AMD), VIA, SIS и т.д. Но ранее это были единичные случаи, и вполне оправданный процент брака при используемой технологии производства.

Почему больше всех пострадала именно NVIDIA ? Каковы методы для её диагностики и почему так происходит ? Вот над этими вопросами предстоит разобраться и понять суть данной проблемы, а также сделать необходимые выводы из предложенного материала.

Сначала немного теории (плавный и постепенный подход к проблеме)

С увеличением степени интеграции ( уменьшением норм технологического процесса, увеличением количества компонентов, увеличением тепловыделения) индустрия требовала всё новых и новых технологий производства. Рождённый ещё в далёком 1960 году корпорацией IBM метод поверхностного монтажа компонентов (SMT/SMD) повлёк за собой целую линейку технологий изготовления и упаковки компонентов : PLCC, QFP, QFN и BGA.

BGA (англ. Ball grid array — массив шариков) — тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем.

Здесь микросхемы памяти, установленные на планку, имеют выводы типа BGA
Разрез печатной платы с корпусом типа BGA. Сверху видно кремниевый кристалл.

BGA произошёл от PGA. BGA выводы представляют собой шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы. Микросхему располагают на печатной плате, согласно маркировке первого контакта на микросхеме и на плате. Затем микросхему нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плате и не позволяет шарикам деформироваться.

Последняя технология произвела небольшой прорыв в индустрии, позволив на порядок увеличить плотность монтажа, улучшить теплопроводность, уменьшить наводки и самое главное обеспечить процесс изготовления. Развиваясь, данная технология рождала целую серию упаковок кристаллов для дальнейшего их монтажа на печатную плату.

Итак, мы подробно остановимся на упаковке FC-BGA.

FC-BGA(Flip Chip Ball Grid Array) - это BGA упаковка с открытым кристаллом, который припаян с использованием технологии Flip-Chip. Которая, в свою очередь, переводиться как многоуровневый компонент (компонент в компоненте) или "кристалл вверх ногами" в зависимости от её применения. Суть данной технологии в изменении контакта кристалла микросхемы с традиционной разводки проволокой на столбиковые контакты (делайте аналогию с BGA). То есть, по сути, мы получаем BGA в BGA: когда кристалл припаян к подложке, а подложка, в свою очередь, с помощью шариков будет монтироваться на печатную плату.

Теперь имея представление о конструкции упаковки чипа, уже можем сделать некоторые выводы о надежности, имея опыт пайки BGA соединений. Прекрасно зная и понимая, что надежность BGA соединения напрямую зависит от механических воздействий, вибрации, термального расширения и сужения, контакта с воздухом (взаимодействие с припоем, окисление контактов), разрушение структуры припоя под действие внешней среды и так далее. Смотря на структуру упаковки FC-BGA, мы понимаем, что наиболее уязвимым местом является соединение кристалла чипа с подложкой. Устранить данную проблему призван специальный наполнитель – компаунд, заполняемый всю область соединения.

Отработав технологии пайки BGA с применением свинцово-содержащего припоя производители добились довольно высоких результатов в плане надежности. Но...
Начиная с 1 июля 2006 г, директивами RoHS (Директивы RoHS и WEEE)Евросоюз запретил производителям использовать шесть опасных веществ (свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, PBB и PBDE). В дальнейшем в 2008 г директивы были ужесточены в плане использования еще целого ряда веществ. В результате отказа от свинца и применения альтернативных компонентов, пострадала надежность пайки и потребовала пересмотра всего технологического цикла производства и применяемых компонентов.

Теория закончена. Теперь рассмотрим процесс термального разрушения чипа.

Вследствие многократных запусков и остановок, микросхема постоянно подвергается термальному воздействию, то есть в зависимости от температурных перепадов, все компоненты микросхемы, начиная с кристалла (который является катализатором (первоисточником)), защитный компаунд, контактные площадки, слои подложки, межслоевые соединения, все начинают механические движения сужения и расширения (физическое воздействие температуры).
Остальные факторы, например разницы потенциалов, возможные электрические разряды или рост так называемых “оловянных усов” с применением Pb lead-free пайки, мы упускаем так как их воздействие незначительно, хотя и присутствует.

И так что мы получаем в результате: под термальным воздействием образуются микротрещины в компаунде, который призван защитить соединения. Кристалл и его контактные группы под воздействием механики (физика температуры) начинают постепенное расшатывание. Воздух, проникаемый через микротрещины в компаунде, начинает процесс окисления припоя в контактных группах, что в свою очередь только ускоряет потерю контакта. И в конце концов ЧИП «отваливается» от подложки.


Почему NVIDIA ?
Теперь разберем причины краха ЧИПов в столь большом количестве от компании NVIDIA.

Как мы знаем, сам кристалл тоже состоит из нескольких слоев и межслоевых соединений, но благодаря отлаженному процессу фотолитографии и технологическому процессу производства при правильном дизайне ЧИПа процент брака минимален, и отсеивается прямо на этапе производства перед упаковкой. Сам кристалл не слишком критичен к высоким рабочим температурам, а вот материалы упаковки в большой степени зависимы.
Вот это и была "ошибка" NVIDIA. После перехода на технологии без свинцовой пайки (с 2006 года) потребовалось менять состав материалов упаковки и перерасчета прочности соединения. Все дефектные чипы NVIDIA использовали технологии и упаковку корпорации TSMS (c наработками Fujitsu Microelectronics). В сумме с заниженным официальным термопакетом (TDP) и как следствие недостаточным теплоотводом, применяемым производителями, мы получаем быстрый выход ЧИПа из строя. Применяемый компаунд имеет недостаточный коэффициент теплового расширения, что приводит к потере защитных свойств компаунда, впрочем, как и сами материалы подложки не отвечали достаточному уровню надежности, как результат: «ОТВАЛ» кристалла от положки (разрушение самого тела контакта, либо повреждение контактных площадок).

Выводы.
Что происходит в момент диагностического нагрева ЧИПа? Почему чип временно восстанавливает работоспособность и почему не помогает re-ball?


Всем известная мера для диагностики выхода со строя микросхем в корпусе FC-BGA (в часности NVIDIA):
Кратковременный нагрев кристалла чипа воздухом с t = 150o-200o C (200o-300o C в зависимости от точности контроля температуры).
В процессе нагрева мы имеем резкое терморасширение кристалла с дальнейшей теплоотдачей на подложку. Контакты временно, механически восстанавливаються, а так как компаунд имеет заниженный коэффициент теплового расширения, относительно кристалла и подложки, в момент резкого нагрева и остывания он временно фиксирует установленное соединение. В результате мы получаем временно "оживший" ЧИП. Заметьте, нагрев происходит в области температуры, ниже температуры плавления припоя, поэтому контакты кристалла были восстановлены механически, и о никакой надежности и долговечности соединения не может быть речи. Поэтому это только ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ МЕРА, по результатам которой можно сделать вывод о необходимой замене чипа.
Осмыслив теоретическую часть и поняв результаты диагностики («подуть») мы понимаем, что для полного восстановления работоспособности чипа необходимо произвести re-ball кристалла на подложку. Беря во внимание очень маленькие допуски и необходимость заполнения нового компаунда в область соединения, для ее защиты, данная процедура невозможна в ремонтных областях и нецелесообразна на производстве.

Прогрев, пропайка микросхем – метод, который не возможно отнести к ремонту. Это лишь диагностика BGA соединения подложки с печатной платой.
Прогрев NVIDIA – это лишь временное восстановление микросхемы, вызванное термо воздействием через подложку на контакты и сам кристалл. Даже доведя до плавления припоя под кристаллом, прогрев не решает проблем начавшегося разрушения контактных площадок кристалла и поврежденного компаунда. Результат – работает от недели до 1-2 месяцев, дальше возврат.
Re-ball – метод восстановления контактов подложки чипа с печатной платой. Применяется в результате механического повреждения контакта или начавшегося процесса окисления контактных площадок. Применяя реболл для псевдоремонта NVIDIA (и других FC-BGA), мы по сути делаем «извращенную» пропайку: в процессе поэтапного нагрева микросхемы снизу, сверху, и прохождения термопрофилей пайки, мы делаем намного интенсивное термо воздействие, уже на все компоненты микросхемы, которая на некоторых этапах, изолирована от теплоотвода платы. Результат - опять таки временное восстановление на достаточно короткое время, как правило не превышающее 1-2 месяцев.

Делая вывод из всего вышесказанного, уважаемые ремонтники, беря во внимание конструктивные особенности современных упаковок чипов (в часности FC-BGA) не стоит надеяться на качественный результат, применяя методы, призванные решать совсем не те проблемы. Если вам дорог результат, Вы не будете ремонтировать «отвал» кристалла в FC-BGA упаковке. Только замена на новый ЧИПдаст достойное Вас, как ремонтника, решение проблемы.



Иточники:


http://notebook1.ru
http://www.intel.com
http://www.nvidia.com
http://www.nvidia.ru
http://wikipedia.org
http://www.fujitsu.com