Uszkodzenia spowodowane pęknięciami pod komponentami BGA

Do najczęstszych uszkodzeń w laptopach należą mikropęknięcia oraz przerwy powstające pod układami scalonymi w obudowach BGA widoczne na poniższych zdjęciach. Z prawej strony zdjęcie endoskopowe przedstawia pęknięcie spoiwa nad kulką lutu, natomiast zdjęcie rentgenowskie z prawej strony przedstawia puste przestrzenie w postaci jasnych plam na kulkach lutu.

Powodów uszkodzeń jest kilka lecz do najczęstszych należą mechaniczne oraz termiczne. Mechaniczne powstają prze naprężenia powstające na płycie głównej laptopa. Obudowy oraz płyty laptopów są wykonane z stosunkowo miękkich materiałów podatnych na wygięcia natomiast tłoczywa z których wykonane są obudowy komponentów BGA wykonane są z materiałów o znacznie większej twardości. Spoiwo lutownicze wykorzystywane do połączeń komponentów BGA z płytą charakteryzuje się słabą wytrzymałością mechaniczną, w momencie kiedy następuje wygięcie płyty spowodowane np. przenoszeniem laptopa powstają pomiędzy komponentem a płytą siły powodujące zrywanie połączeń lutowanych. Drugą co do ilości pojawiających się usterek jest przegrzanie układów scalonych w obudowie BGA najczęściej chipów graficznych spowodowane zanieczyszczeniem kanałów wentylacyjnych lub zakrywaniem kanałów wentylacyjnych poprzez pozostawianie laptopów na nie utwardzonych powierzchniach ( dywan kołdra itp.) co powoduje gwałtowny wzrost temperatury. Poniżej prezentujemy zanieczyszczony system wentylacyjny laptopa po dwóch latach użytkowania w warunkach domowych.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej stopu decyduje o rozkładzie naprężeń w połączeniu lutowanym podczas cykli tem­peratury, czyli wpływa na trwałość zmęczeniową tego połączenia. Tak wiec w skrócie można powiedzieć że wytrzymałość połączenia ma swoją określoną żywotność w cyklach. Po jej przekroczeniu zaczynają pojawiać się mikropęknięcia na spoiwach lutowniczych. Naprawy wykonuje się poprzez wykonanie wymiany spoiw lutowniczych tkz. reballing ( szczegółowy opis w zakładce laboratorium ) lub wymianę układu w przypadku jego uszkodzenia. Niestety na dzień dzisiejszy producenci dysponują tylko taką technologią montażu która należy do awaryjnych.

W elektronice od ponad 50. lat mocną pozycję ma proces lutowania eutektycznymi lub bliskoeutektycznymi stopami cynowo-ołowiowymi, ze względu na swoje uni­kalne właściwości fizyczne, dostępność i względnie niską cenę. Najważniejszą jednak zaletą spoiw cynowo-ołowiowych jest to, że nadają się one zarówno do wykonywania połączeń lutowniczych, jak również na pokrycia ścieżek i pól lutowniczych na płytkach drukowanych oraz na pokrycia końcówek i wypro­wadzeń podzespołów, zapewniając płytkom drukowanym i podzespołom odpowied­nią lutowność.

Rosnąca świadomość zagrożenia ekosystemu człowieka sprawiła, że od kilkunastu lat baczniej zwraca się uwagę na sprawy związane z ekologią, również w elektronice. Wiele stopów takich jak SnAu, SnIn, SnAg, SnBi, od dawna stosowano w przemyśle elektronicznym do specjalnych zastosowań. Stopy te nadal mogą być wykorzystywane w elektronice jako luty bezołowiowe. Ich zaletą jest to, że są stopami dwuskładnikowymi i co ważniejsze, że są stopami eutektycznymi. Poszukiwania nowych stopów bezołowiowych poszły w kierunku trój-, cztero-, a nawet pięcio składnikowych stopów na bazie cyny, z dodatkami takich pierwiastków stopowych jak Cu, Ag, Bi, Sb. Luty te nie są stopami eutektycznymi, są co najwyżej stopami bliskoeutektycznymi, jak np. stop SnAgCu (tzw. SAC).

Od połowy lat 90. prowadzono na świecie intensywne badania stopów bezołowio­wych, które ukierunkowane były przede wszystkim na poszukiwanie zamiennika oło­wiu w eutektycznym stopie cynowo-ołowiowym. Kryteria, którymi kierowano się przy wyborze zamienników ołowiu, to: brak toksycznego oddziaływania na ludzi i środowisko naturalne, dostępność kopalin, porównywalne ze stopem SnPb właści­wości, takie jak temperatura topnienia, właściwości zwilżające, elektryczne, mecha­niczne oraz w miarę przystępna cena. Z całej tablicy Mendelejewa może być branych pod uwagę jedynie kilka pierwiastków: Bi, Cu, In, Sn, Ag, Zn. Dla potencjalnych substytutów ołowiu przeprowadzono badania toksyczności, ze szczególnym uwzględnieniem oddziaływania tych metali na organizm ludzki. Stwierdzono, że badane zamienniki ołowiu też nie są obojętne dla zdrowia ludzkie­go, choć nie zagrażają w takim stopniu jak ołów, ponieważ nie są rakotwórcze jak ten metal. Po przebadaniu kilkuset spoiw cynowych z potencjalnymi zamiennikami ołowiu stwierdzono, że nie ma jednego zamiennika stopu Sn63Pb37. W związku z tym do lutowania bezołowiowego zalecane są różne stopy, wybór odpowiedniego zależy od producenta sprzętu elektrycznego i elektronicznego.

Można zatem powiedzieć, że producenci uczą się wprowadzając do produkcji różnego rodzaju zamienniki stopu ołowiowego i wyciągając odpowiednie wnioski dokonują zmian. Niestety nie wszystkie badania stopów lutowniczych przeprowadzane w warunkach laboratoryjnych sprawdzają się przy klasycznym użytkowaniu sprzętu. Pod klasycznym układem graficznym, lub tkz. mostkiem północnym i południowym znajduje się od kliku set do kilku tysięcy kulek lutu ( od lewej foto 1 płyta główna z układem BGA, foto 2 układ BGA, foto 3 układ BGA widoczny na zdjęciu rentgenowskim, foto 4 układ BGA widoczny na zdjęciu endoskopowym).

Są to główne miejsca powstawania uszkodzeń w laptopach. Przyczyną jest słaba wytrzymałość stopów bezołowiowych które na skutek powstających mikro naprężeń na płycie głównej oraz zmian temperaturowych podlegają znacznie szybszemu procesowi starzenia ( w porównaniu ze stopami ołowiowymi) i występuje zjawisko pęknięć widoczne na poniższym zdjęciu rentgenowskim po lewej stronie oraz endoskopowym po prawej stronie. Problemy z technologią lutowania bezołowiowego BGA mają wszyscy producenci laptopów. Widoczne jest to bardzo wyraźnie w serwisach takich jak nasz gdzie naprawiane są laptopy różnych marek i najczęstsze uszkodzenia o których tu mowa związane z występowaniem pęknięć pod układami BGA można spotkać w wyrobach wszystkich producentów.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (ang. CTE) stopu jest parametrem, który może mieć krytyczne znaczenie w przypadku połączenia lutowanego wytworzo­nego w procesie lutowania bezołowiowego. Współczynnik rozszerzalności cieplnej stopu decyduje o rozkładzie naprężeń w połączeniu lutowanym podczas cykli tem­peratury, czyli wpływa na trwałość zmęczeniową tego połączenia. W tradycyjnym lutowaniu metalizację płytek drukowanych oraz wyprowadzeń pod­zespołów wykonywano z tego samego stopu SnPb, który był używany do luto­wania. Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiałów wchodzących do procesu był taki sam. W procesie lutowania bezołowiowego stosuje się różne materiały bezołowiowe, np. stop SnAgCu, powłokę ENIG na płytce drukowanej i powłokę czystej cyny na wyprowadzeniach podzespołów. Niedopasowanie współczynników rozszerzalności cieplnej płytki drukowanej, podzespołu i lutu może doprowadzić do znacznego obniżenia trwałości zmęczeniowej połączenia lutowanego. Dlatego bardzo ważne jest dopasowanie CTE stopu, miedzi lub materiału powłok powierzchni łączonych.

Niestety obecne producenci nie przywiązują takiej wagi do tkz. testów przedprodukcyjnych, w celu wyeliminowania wad i zmniejszenia awaryjności produktu. Ponadto jak wcześniej wspomnieliśmy nie zawsze testy starzeniowe które przeprowadzają producenci odzwierciedlają codzienne użytkowanie sprzętu. Obecnie liczy się jedynie ograniczanie kosztów produkcji i prace nad nowymi modelami aby nie zostać w tyle za konkurencją. Niestety takie podejście do procesu produkcji wiąże się z olbrzymią awaryjnością sprzętu co można zaobserwować w naszym serwisie patrząc na wciąż zwiększającą się ilość laptopów oddawanych do naprawy przez naszych klientów.

Wszystkie wymienione usterki usuwamy z największą starannością i dbałością o powierzony nam sprzęt przez klienta. Posiadamy profesjonalne urządzenia do lutowania elementów w technologii SMD, BGA, µBGA, CSP, FLIP CHIP niemieckiej firmy MARTIN GmbH. Wysokiej klasy sprzęt diagnostyczno-pomiarowy FLUKE i TEKTRONIX oraz maszyny do Reballingu firmy Martin GmbH. Naszą Firmę tworzą przede wszystkim ludzie z pasją dla których ta praca to przede wszystkim przyjemność. Dodatkowym atutem są umiejętności zdobyte w takich międzynarodowych koncernach jak ASUS, GIGABYTE oraz MSI. Nasi Serwisanci posiadają międzynarodowe certyfikaty IPC dzięki czemu mają Państwo pewność ,że dysponujemy wiedzą w nowatorskiej dziedzinie lutowania SMD, BGA, uBGA, CSP, FLIP CHIP i nie uczymy się na sprzęcie powierzonym przez klienta, a usługi wykonywane w naszej firmie są na najwyższym światowym poziomie. Zapraszamy do sprawdzenia naszej wiarygodności w zakładce na stronie głównej.

Zapraszamy do współpracy.