Ball Grid Array (BGA) là một loại đóng gói bề mặt (surface‑mount) cho vi mạch tích hợp, trong đó các chân hàn dạng bi thiếc (solder balls) được bố trí theo lưới dưới đáy chip, giúp tăng mật độ chân kết nối và cải thiện khả năng tản nhiệt cũng như cho hiệu năng cao hơn đối với các ứng dụng tốc độ cao so với các kiểu đóng gói (package) truyền thống. Tuy nhiên, do hàng chân chip BGA nằm ở mặt dưới của chip nên thường rất khó để tháo ra sửa chữa khi gặp lỗi mà không làm tổn hại đến chip hoặc các linh kiện xung quanh. Vì vậy quá trình sửa chữa các chip BGA cần phải sử dụng đến các trạm hàn sửa chữa chuyên dụng (BGA Rework Station) để không làm hỏng chip cũng như bo mạch.
Trong bài viết này, hãy cùng Điện tử Hatakey tìm hiểu về các trạm hàn sửa chữa chip BGA và quy trình sửa chữa nhé.
Hình 1. Chip đóng gói dạng BGA (Ball Grid Array)
1. Trạm hàn sửa chữa chip BGA (BGA Rework Station)
Các trạm hàn BGA là các trạm hàn chuyên dụng được thiết kế chuyên để sửa chữa các chip BGA hay các linh kiện IC dán bị lỗi trong quá trình gia công lắp ráp PCBA, khi các mối hàn của IC bị oxi hóa không còn tiếp xúc tốt, hoặc bản thân IC bị hư hỏng cần thay thế sau thời gian dài sử dụng. Một kỹ thuật viên lành nghề nhiều kinh nghiệm có thể tháo linh kiện để thay thế hoặc sửa chữa thủ công bằng máy khò thông thường.
Tuy nhiên việc xử lý như vậy tiềm ẩn khá nhiều rủi ro và mất thời gian có thể gây hỏng linh kiện đặc biệt là với các loại IC chip đắt tiền, có độ nhạy cảm với nhiệt độ cao, và khó tháo lắp do nhiều chân ở mặt dưới như BGA. Việc sử dụng các trạm hàn BGA chuyên dụng giúp tiết kiệm thời gian, chi phí cũng như hạn chế tối ra rủi ro hỏng hóc linh kiện.
Các trạm hàn sửa chữa chip BGA về cơ bản có thể được chia làm 2 loại dựa trên công nghệ chính mà chúng sử dụng gồm: trạm hàn khí nóng (Hot Air) và trạm hàn hồng ngoài (IR). Ngoài ra còn có trạm hàn Hybrid kết hợp cả 2 công nghệ này.
Trạm sửa chữa khí nóng (Hot air BGA Rework Station)
Đúng như tên gọi, trạm làm sửa chữa khí nóng thực hiện việc tháo và hàn lại IC bằng công nghệ khí nóng. Các đầu chụp ống khí có đường kính kích thước phù hợp với kích thước IC sẽ hướng luồng khí nóng vào vị trí IC cần sửa chữa trên bảng mạch.
Hình 2. Trạm sửa chữa chip BGA khí nóng (Hot Air)
Trạm sửa chữa hồng ngoại (Infrared BGA Rework Station)
Trạm sửa chữa hồng ngoại sử dụng đèn nhiệt hồng ngoại hoặc chùm tia hồng ngoại chính xác để gia nhiệt. Máy làm lại IR trong phạm vi giá thấp đến trung bình thường sử dụng bộ gia nhiệt bằng gốm và sử dụng cửa chớp để cô lập các khu vực cần tập chung gia nhiệt trên bảng mạch in. Các trạm sửa chữa IR công nghệ cao sử dụng các chùm tia có độ tập chung tốt hơn, chỉ chiếu đúng phạm vi kích thước chip BGA mà không ảnh hưởng đến khu vực xung quanh.
Hình 3. Trạm sửa chữa chip BGA hồng ngoại (IR)
Cả hai loại trạm làm lại đều có ưu và nhược điểm riêng. Để xác định xem khí nóng (Hot Air) hay IR là phù hợp nhất, bạn cần phải xem xét các tính năng của chúng trong môi trường làm việc của mình.
2. Vật tư phụ kiện hỗ trợ quá trình sửa chữa chip BGA
Để quá trình tháo lắp chip BGA diễn ra thuận lợi và đạt chất lượng tốt nhất ngoài trạm hàn sửa chữa BGA bạn sẽ cần thêm các vật tư sau:
- Chất trợ hàn (Flux) không halogen, no‑clean (ví dụ: Kester RF550, Interflux IF 8300…) giúp tăng khả năng thấm ướt thiếc, bảo vệ pad hàn khỏi oxi hóa và dễ dàng làm sạch nếu cần.
- Dây hút thiếc giúp hỗ trợ quá trình vệ sinh pad hàn, chân linh kiện sau khi tháo.
- Băng dính bảo vệ nhiệt Heat‑shield (băng Kapton, tấm nhôm) giúp che chắn các linh kiện nhạy nhiệt xung quanh khu vực BGA để tránh bị ảnh hưởng nhiệt trong quá trình tháo lắp.
- Khuôn gá, khung Stencil và bi hàn (solder balls) với kích thước phù hợp (0.4–0.75 mm) dùng cho bước làm lại chân bi của linh kiện BGA (BGA Reballing).
Hình 4. Bộ vật tư hỗ trợ quá trình làm lại chân bi chip BGA (reballing)
3. Quy trình sửa chữa chip BGA
Để đảm bảo chất lượng cũng như hạn chế tối đa rủi ro phát sinh việc sửa chữa cần tuân theo một quy trình nhất định. Tùy theo mức độ hiện đại cũng như mức giá của trạm hàn BGA, mà quy trình tháo lắp – hàn linh kiện có thể là thủ công, tự động hoặc bán tự động. Tuy nhiên nhìn chung đều gồm các bước cơ bản sau đây.
Bước 1: Chuẩn bị vật tư và kiểm tra
- Pre-bake PCB: “Nướng” mạch ở nhiệt độ thường từ 100-120°C nhằm loại bỏ hơi ẩm.
- Chuẩn bị stencil và bi thiếc.
- Che chắn các linh kiện xung quanh bằng băng dính cách nhiệt.
- Đặt các đầu gia nhiệt vào vị trí hướng về BGA.
- Bố trí các sensor cảm biến nhiệt (nếu có) ở các vị trí thích hợp ở mặt trên IC và mặt dưới bo mạch.
Hình 5. Bố trí các cảm biến và setup trạm sửa chữa
Bước 2: Cài đặt đường đồ thị/hồ sơ nhiệt (Thermal Profiling)
Thông thường các IC thường có một đồ thị gia nhiệt khuyến nghị từ nhà sản xuất cho quá trình hàn/ sửa chữa riêng mà chúng ta cần tham khảo để tránh gây hỏng IC cũng như hư hại bo mạch. Bên cạnh đó loại và tình trạng thiếc hàn đã sử dụng để hàn linh kiện trên mạch cũng là một yếu tố cần chú ý. Các loại thiếc hàn không chì (lead-free) cần cấp nhiệt cao hơn so với các loại thiếc có chì. Các mối hàn đã bị oxy hóa lâu ngày sẽ cần gia nhiệt nhiều hơn so với các mối hàn mới tình trạng còn tốt. Cuối cùng tùy vào thông số kỹ thuật của thiết bị trạm hàn và khuyến cáo từ nhà sản xuất sẽ có các cách cài đặt hồ sơ nhiệt khác nhau.
Dưới đây là các thông số mang tính chất tham khảo cho quy trình sửa chữa sử dụng trạm hàn khí nóng (Hot Air) thông thường.
Hình 6. Hồ sơ nhiệt khuyến nghị cho Hot Air BGA Rework Station đối với thiếc không chì (Lead Free).
- Làm nóng sơ bộ (Pre-heat): làm nóng sơ bộ cả bo mạch cũng như chip BGA từ 110°C – 170°C trong vòng 40-70s. Việc làm nóng sơ bộ này giúp tránh hỏng hóc cho chip hoặc làm cong vênh bo mạch.
- Ngâm nhiệt (Soak): Duy trì nhiệt độ 170°C đến 220°C trong vòng 50-70s để giải phóng khí và ngăn sốc nhiệt
- Đối lưu (Reflow): Duy trì nhiệt độ trên 220°C trong vòng 50-60s để làm chảy thiếc hàn hoàn toàn giúp thuận lợi tháo IC khỏi bo mạch.
- Làm mát (Cooling): làm mát từ từ về nhiệt độ phòng, không vượi quá 3°C/s để tránh các lỗi hàn (nứt, lỗ trống…) hoặc gây hư hại bảng mạch…
Bước 3: Tiến hành tháo chip BGA
- Chạy hồ sơ nhiệt đã cài đặt, giữ đầu chụp ống khí cách IC từ 5-10 mm đảm bảo tập chung nhiệt.
- Quan sát đồ thị cảm biến nhiệt (Cặp nhiệt điện – Thermalcouple) khi nhiệt độ trên 220°C có thể dùng đầu hút chân không để nhấc chip khỏi bo mạch.
Bước 4: Làm sạch pad hàn và tái tạo bi hàn trên chip BGA (Reballing)
- Dùng dây hút thiếc (Solder Wick) và chất trợ hàn vệ sinh sạch pad hàn trên mạch, cũng như chân chip BGA đã được tháo.
- Lắp chip đã được vệ sinh vào khuôn gá, đặt khuôn stencil phù hợp với chip sao cho các lỗ trên khuôn khớp với vị trí chân chip.
- Rắc bi hàn có kích thước phù hợp với chân chip
- Nung chảy bi thiếc hàn, quan sát bi bóng sáng rồi làm mát.
Bước 5: Căn chỉnh và hàn lại chip BGA
- Đặt lại chip BGA về vị trí trên bo mạch. Căn chỉnh sao cho các pad hàn đồng nhất với chân chip. Thông thường trên các trạm hàn thường được tích hợp thêm kính hiển vi, camera, hoặc bộ định vị laser để hỗ trợ cho quá trình căn chỉnh được chính xác.
- Chạy lại hồ sơ nhiệt đẻ tiến hành hàn chip. Sau khi hoàn tất và làm mát về nhiệt độ phòng, tháo bo mạch ra khỏi máy và hoàn tất quy trình sửa chữa.
Bước 6: Kiểm tra sau khi sửa chữa chip BGA
Sau khi tiến hành sửa chữa để đảm bảo chip BGA đã được hàn chính xác và không phát sinh lỗi (lỗi bắc cầu, mối hàn rỗng, lỗ khí…) người ta thường cho qua máy kiểm tra X-ray để phát hiện các lỗi hàn. Ngoài ra có thể thực hiệm thêm kiểm tra chức năng (Function Test) để đảm bảo khả năng hoạt động của IC.
Hình 7. Kiểm tra mối hàn chip BGA sau khi sửa chữa bằng máy X-ray
Kết luận
Việc gia tháo lắp sửa chữa các chip BGA tương đối khó và phức tạp thường ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của linh kiện. Việc sử dụng các trạm hàn sửa chữa chip BGA chuyên dụng giúp giảm thiểu hư hại với linh kiện cũng như IC, đồng thời tăng đáng kể khả năng thành công giúp tiết kiệm chi phí cũng như thời gian.
Tuy nhiên chi phí đầu tư cho các trạm sửa chữa BGA còn khá đắt đặc biệt là các trạm có độ chính xác và độ tin cậy cao, bên cạnh đó để đảm bảo quá trình sửa chữa thay thế thành công ngoài kiểm tra chức năng bo mạch còn cần thêm thiết bị X-ray để loại bỏ các lỗi hàn có thể phát sinh. Vì vậy, nếu không phải là nhà sản xuất, lắp ráp việc đầu tư trang thiết bị để sửa chữa chip BGA sẽ khá tốn kém.
Hiện nay, Hatakey đang cung cấp dịch vụ sửa chữa thay thế chip BGA, bên cạnh hệ thống trạm sửa chữa hiện đại chúng tôi còn hỗ trợ soi chiếu kiểm tra qua máy X-ray giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm. Nếu các bạn có nhu cầu sửa chữa, gia công hàn các linh kiện BGA xin vui lòng liên hệ với chúng tôi để được tư vấn và báo giá!