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通过重植锡球修复损坏的笔记本电脑显卡

[日期:2009-11-27]   来源:微型计算机  作者:碧波荡漾网 整理   [字体: ]

    作为笔记本电脑内部的发热大户,独立显卡在散热效果不佳的情况下出现故障甚至损坏的情况并不罕见,此时除了拿到厂商的售后部门或者第三方维修站进行修理之外,你还可以选择另外一种方式:自己动手。

    从笔记本电脑散热系统的设计就不难看出(只有处理器和显卡采用了热管散热方式),处理器和显卡是笔记本电脑内部最需要加强散热的配件。但部分机型出于设计方面的原因,在散热特别是独立显卡的散热方面有所欠缺,从而导致显卡芯片出现问题,其中有芯片直接损坏的情况,也有不少显卡是由于BGA封装核心的底部锡球脱焊而造成花屏或者黑屏现象。

    一般来说,碰到这样的涉及到芯片级维修的操作,只能交由专业的售后部门或者维修店进行。但很多显卡问题都是在过保后才出现,如果按常规思路去各个厂商售后部门进行维修,一般情况下都是更换主板,需要花费1000元~2000元不等,价格不菲。如果去第三方维修店,可以选择比较便宜的维修方式,例如做芯片的BGA维修,一般需要花费300元~500元。虽然这种方式便宜很多,但是维修店往往只提供一个月的保修期限,并且可靠度依据维修人员的技术水平而定,过一两个月后再出现同样的问题并不是没有可能。

    那么,还有没有其它的解决方案呢?答案是肯定的,那就是自己动手维修显卡。现在的笔记本电脑主板,自检功能比以前强大得多,短路了一般都会阻止通电,而且显卡芯片的封装更好了,所以不必过于担心操作失误造成短路或者受热击穿。同时由于要符合RoHS规范,2006年后大多数笔记本电脑的主板都用的是高熔点的无铅焊锡,所以,我们可以取巧用低熔点的有铅焊锡,就更容易在不损坏主板的情况下焊接成功。因此只要有一定的动手能力,搞清楚显卡故障的原因,再配合一套合用的工具,就可以完成芯片级维修。虽然没有专业芯片级维修站那里方便快捷、安全可靠,但是如果严格依据科学原理并结合实际情况总结出合适的方法,用廉价的工具达到专业芯片级维修站维修的效果也绝非痴人说梦。

    动手前的理论准备

    我们首先要弄清楚什么是BGA。BGA(Ball Grid Array)即球状引脚栅格阵列封装技术,可以说是目前笔记本电脑上CPU、主板南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。由于在封装的底部,引脚都成球状并排列成一个类似于格子的图案,由此命名为BGA。

    BGA封装具有以下特点:

    1.I/O引脚数虽然增多,但引脚之间的距离远大于QFP封装方式,提高了成品率;
    2.虽然BGA的功耗增加,但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接,从而可以改善电热性能;
    3.信号传输延迟小,适应频率大大提高;
    4.组装可用共面焊接,可靠性大大提高。

    常见的BGA返修出现的问题:

    1.焊接温度不正确,过低会虚焊,过高会连焊、短路甚至烧坏IC、芯片等重要原件;
    2.焊接温度的曲线不正确,容易发生虚焊,锡球变脆等导致长期可靠性不高的结果;
    3.热风焊接的话,有可能会损坏主板周围的元件,导致故障面扩大;
    4.主板上的微小电容电阻等元件受热脱落,导致主板电路不完整故障面扩大。

    BGA封装为芯片设计的小型化作出了突出的贡献,但是这种封装方式也为更换芯片带来了难度。因为芯片是直接用锡球焊接在PCB板上,不能插拔,而且由于引脚在芯片底部,因此不能直接焊接,也不容易检查是否焊接成功。大型的BGA返修基地,用的都是价值几万元甚至几十万元的大型设备,普通用户采用当然不现实,笔者要介绍的是一种更简单易操作的方法:用热风枪。不过在此之前,我们有必要先了解锡球焊接的相关知识。(感兴趣的朋友不妨参考专业资料《回流焊曲线讲解》,了解一下大型BGA返修台的工作原理,对我们手动BGA很有参考意义。)

    理想的曲线(图1)由四个区间组成,前面三个加热、最后一个冷却,大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流:

    预热区:也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在该区,温度以不超过每秒2℃~5℃速度连续上升,温度升得太快会引起某些缺陷,如陶瓷电容的细微裂纹,而温度上升太慢,锡膏会感温过度,没有足够的时间使PCB达到活性温度。预热区一般占整个加热通道长度的25%~33%。

    活性区:即干燥或浸湿区,这个区一般占加热通道的33%~50%,有两个功用,一是让PCB在相对稳定的温度下感温,允许不同质量的元件在温度上同质,减少它们的相对温差。二是允许助焊剂活性化,挥发性的物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度范围是120℃~150℃。

    回流区:也叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将PCB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是205℃~230°C,这个区的温度设定太高会使其温升速率超过每秒2℃~5℃,或高于推荐的温度,可能由此引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损,并损害元件的完整性。

    冷却区:理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系(函数曲线成对称关系)。越是靠近这种镜像关系,焊点达到固态的结构越紧密,得到焊接点的质量越高,结合完整性越好。

    一般来说,锡球(锡膏)回流焊接分为五个阶段:

    1.首先,用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发,此时温度上升必须慢(大约每秒3℃),以限制沸腾和飞溅,并防止形成小锡珠。另外,一些元部件对内部应力比较敏感,如果元件外部温度上升太快,会造成断裂;
    2.助焊剂活跃,化学清洗行动开始,水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动,只不过温度稍微不同,其作用在于将金属氧化物和某些污染物从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除;
    3.温度继续上升,焊锡颗粒首先单独熔化,并开始液化和表面吸锡的“灯草”过程,在所有可能的表面上覆盖,并开始形成锡焊点;
    4.这个阶段最为重要,当单个的焊锡颗粒全部熔化后,结合一起形成液态锡,这时表面张力作用开始形成焊脚表面,如果元件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil(长度单位,1mil=0.0254mm),则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开,即造成锡点开路;
    5.冷却阶段,如果冷却快,锡点强度会稍微大一点,但不可以太快而引起元件内部的温度应力。

    从这五个阶段的要求来看,在焊接锡球的时候,不仅要保证温度正确,而且要使温度的变化过程也正确。虽然DIY用户基本没有可编程控制的温度输出设备,但是,可以通过控制热风枪的温度或调整热风枪和显卡芯片的距离,来尽量满足不断变化的时间和温度的需求。

   实际操作过程

    笔者手上有一台出现花屏现象的SONY C22笔记本电脑,已经花费500元BGA返修一次,无奈两个月后再次花屏,现象一模一样,结论是再次脱焊。考虑到再花500元去返修不合算,而且由于本人亲自观看过简单手动BGA的全过程,于是,花500多元买了相关设备和耗材,直接自己进行
BGA修理。

    准备的主要工具:

    1.国产安泰信8205大口径热风枪(图2),柔和旋转风;
    2.国产安泰信853A小型热风预热台(图3);


图2


图3

    准备的耗材和小工具:

    1.美国AMTECH助焊膏一管;
    2.品牌0.5MM高铅锡球2.5万粒小瓶装一瓶;
    3.BEST精准镊子一把;
    4.品牌铜丝吸锡带一卷;
    5.茶色隔热胶带一卷;
    6.普通电烙铁一只;
    7.海绵两片;
    8.医用酒精一瓶;
    9.松香若干;
    10.台灯一个;
    11.自制铝合金支撑架;
    12.订购GO 7400-N-A3 BGA植球钢网一片(不同型号的显卡需要选用不同的钢网)。

    Step1:做温度采样实验

    我们采用物理实验里经典的控制变量法,来收集必要的数据,为紧接着的实战操作做准备。由于本人没有高温测温设备,所以无法测量芯片的实际受热温度。那么,要精确的掌握温度,在完成拆焊操作的前提下尽可能的保护脆弱的电子元件,只有采用控制变量法,记录各个临界情况下热风设备的控制温度来掌握实际温度。这样就可以在不知道芯片实际受热温度的情况下,用可精确量化的相对温度来把握实际温度,完成各个加热操作。

    用热风枪做温度采样实验,以弄清楚在当前温度、湿度的环境下:

    1.所选用锡球的熔点控制温度是多少?
    2.锡球在显卡芯片底部时,多少度刚好开始融化,多少度刚好完全熔化?
    3.焊锡膏的活性温度是多少,沸点是多少?
    4.在显卡芯片底部时焊锡膏的活性温度是多少,沸点是多少?

    实验过程:(此部分提到的所有量化的温度均为当时热风热备上温控旋钮刻度上指示的温度)

    1.采集锡球熔点控制温度

    将少量锡球放在水平放置的1元硬币上,用风枪加热。风嘴离锡球3cm,风力调到3档,温度起始点为250℃,并用手缓慢的旋转温度控制旋钮好让温度缓慢上升。同时用旧镊子不断试探锡球,看是否融化。根据笔者的经验,到325℃时锡球变软,350℃时,邻近锡球熔解成一个大锡球。由此可知,325℃时锡球达到熔点。350℃时熔化充分。

    2.模拟BGA焊接时,锡球的控制温度

    将锡球夹在废旧芯片和铜片之间,热风枪风力4档,温度300℃起步并慢慢上升。观察熔化情况,当夹层突然变窄时,可知锡球已经熔化。记下这个温度,标注为T1(此控制温度用来取下显卡芯片),笔者的测试结果是375℃。

    重做几次实验,并在铜片上涂上焊锡膏,每次重复实验都把最高温度提高10℃,冷却后观察是否焊接牢固,然后用热风抢吹下已经焊接的芯片,观察相邻锡球是否连焊。找到一个最低的、焊接牢固同时锡球又不连焊的温度,记为T2。笔者测得的焊接控制温度为425℃。

    3.采集焊锡膏的控制温度

    焊锡膏可以助焊,引导锡球焊接在正确的平面上,并携带热量使受热均匀,一定程度上也可以防止虚焊、漏焊。但是焊锡膏在到达沸点时,会冒气泡,导致锡球移位,所以焊锡膏的控制温度也要采集。

    在一片废旧芯片和铜片之间,涂上一定量的焊锡膏,用热风枪加热并缓慢升温。记录完全融化并四处扩散的温度和沸腾的温度。记为T3和T4。笔者实测为275℃和450℃。这说明热风枪的最高温度不能接近450℃。

    4.做温度控制曲线


图4

        结合以上实验,绘制温度曲线(图4)。

    Step2:取下显卡芯片

    1.首先要确保主板干燥,防止水气在高温下损坏主板

    把主板放在准备好的支架上,用书本垫高预热台,让预热台风嘴正对显卡正面,不开加热,冷风吹半小时(图5)。


图5

    2.预热主板,防止主板受热变形

    先贴好隔热用的茶色胶布,主板正反两面都要贴,以保护显存、显卡芯片晶圆、电容、南北桥和各种塑料插口,并取下主板电池(图6)。预热台调到100℃,并用风力4档的风枪对整个主板扫风,进行低温预热,持续10分钟(图7)。


图6


图7

    3.参考温度曲线,用热风枪加热显卡

    显卡正面朝上,预热台起始温度100℃,热风枪起始温度100℃,风力4档。准备好秒表,每秒钟同步旋转预热台和热风枪的温度控制旋钮,模拟温度控制曲线。预热台温度达到250℃后保持不变,继续提升热风枪温度,在275℃时维持一分钟,并合理的移动风嘴,使显卡芯片均匀受热。


图8


图9

    然后在半分钟内将热风枪匀速调整到425℃,维持5秒钟,用钢丝轻轻推动显卡芯片边缘,感觉显卡芯片可以移动时立即用镊子将其夹起来,并放在安全的位置(图8、图9)。最后关闭所有加热设备的加热开关,用冷却风冷却主板。显卡芯片自然冷却5分钟。

    Step3:显卡的植球

    1.清洁显卡芯片焊盘

    目的很简单,就是为高质量的植球和焊接做铺垫。配合吸锡铜编织带和电烙铁,把显卡焊盘上的残余锡全部吸干净。具体方法是,用热的电烙铁头压住吸锡带,吸锡带接触焊盘的一面蘸一点助焊膏,在焊盘上来回慢慢移动,使旧锡球都被吸收在铜编织带上(图10),并不断剪掉吸满锡的吸锡带保证吸锡的效率。要注意电烙铁温度合适,温度过高会损坏卡芯片内部晶圆,温度过低会让吸锡带粘在焊盘上,容易在用力过度的情况下导致焊盘永久损坏。


图10


图11

    重复若干次,直到残锡全部被除去,并用数码相机拍照放大,检查是否全部吸干净。最后用酒精加海绵清洗焊盘几次,使表面的助焊剂被完全清洗干净(图11)。

    2.清洁主板焊盘

    方法同上,只是要更加注意电烙铁不要在焊板上停留过久,也不要误触到其他元件。

    3.干燥显卡和主板焊板,清洁植球钢网

    用预热台出风口对准刚刚清洁过的显卡和主板焊盘,不开加热,冷风干燥半小时。这是保证植球时不发生水汽炸裂的关键(图12)。最后用酒精浸泡植球钢网5分钟,并用预热台冷风干燥(图13)。


图12


图13

    4.正式植球

    在显卡焊盘上用刷子涂上一层均匀的焊锡膏,再小心的蒙上植球钢网。把锡球慢慢倒在钢网上,下面用陶瓷碗接住落下的锡球。用棉签搙均匀,并除去多余的锡球。少数没有锡球的网孔,用镊子夹住锡球放进去,最后就成成品了(图14)。


图14

    钢网不要取下,热风枪调到350℃,风力3档。把显卡固定好,均匀加热。观察到锡球全部变亮并有缓慢蠕动下沉时,再均匀加热5秒钟即可。自然冷却15分钟后,取下钢网,可以看到锡球基本已经到位。用牙刷和酒精清洗焊盘,虚焊的锡球也会马上掉下来。缺少锡球的位置用镊子夹锡球补上,注意要再涂层焊锡膏,不用上钢网,直接再用热风枪加热。最后用数码相机拍照放大,或用放大镜检查各个锡球是否大小和高度几乎绝对一致。不合格的,哪怕只有一颗,就要用电烙铁配合吸锡带刷掉,然后再植球、检查、清洁、风干。如此重复,直到锡球重植完美。一般来说,这个过程需要1~2小时。最后得到完美植球的显卡。

    Step4:显卡的回流焊

    将芯片对准显卡原来在主板上的位置,即显卡芯片边缘与白色四边形方框几乎绝对一致(图15)。


图15

    回顾一下之前设计的控制温度曲线(图4),这个温度对时间的函数严格来说是为回流焊服务的。

    与之前取下显卡芯片的步骤一样,首先干燥整个主板。预热台不开加热,风干半小时,显卡芯片也风干半小时。

    然后,在主板焊板上均匀的涂一层焊锡膏,可以适量多涂一点。显卡正面朝上并对准显卡方框,再用一块一元硬币压在显卡芯片上提供适量的压力以促进焊接。调整支架水平,预热台起始温度100℃,热风枪起始温度100℃,风力4档,预热5分钟。

    预热完成后,就开始按照回流曲线进行操作了,整个过程与之前取下显卡芯片很相似。准备好秒表,每秒钟同步旋转预热台和热风枪的温度控制旋钮,模拟温度控制曲线。预热台到250℃时,只旋转热风枪的温度旋钮。热风枪275℃维持一分钟,并合理的移动风嘴,使显卡均匀受热。最后,在半分钟内热风枪匀速调整到425℃,维持5秒,感觉焊锡膏有沸腾的趋势,一元硬币有下沉后,果断关闭所有加热设备的加热功能,用余风冷却主板。最后用万用表测试是否焊接成功(具体方法是测量主板显卡位置附近一些相关检测点的电阻,检测点的位置和典型阻值最好参考一下相关的专业资料),或干脆直接把机器拼装起来看是否成功。到此,BGA返修基本完成。

    如果不成功,很可能是加热温度不够,可适量提高加热温度上限,进行再加焊。方法是在之前的基础上,在显卡边缘注入适量焊锡膏,再走一遍控制温度曲线。一般加焊一两次就能成功,实在不行,全部重做,务必注意清洁、干燥、风干等步骤不能省略。

    焊接过程中的一些注意事项和技巧

    1.最需要耐心和细心的就是植球了,这是决定成败的关键。如果锡球中有一个大小或高度与其它的不一样,就要想办法修正。有瑕疵的锡球会影响BGA的成功率和长期可靠性,所以务必要修复。修复前要先除去有瑕疵的锡球。考虑到电烙铁头相对锡球来说体积太大,不太可能刚好只碰到单个的瑕疵锡球,所以只好用电烙铁配合吸锡带除去包含瑕疵锡球的尽可能小的一整片锡球。若不小心碰到了计划外要除去的锡球,那么这个锡球要等同于瑕疵锡球一样处理。然后再重新给除去后的锡球位置植球,视修复植球的面积大小决定是否用钢网植球,再次植球的最后加热一定要充分和完全,加热要照顾到所有锡球以保证锡球高度一致。

    2.吸锡带的使用技巧:建议大家用一点剪一点,尽量用新的吸锡带来吸锡。如果吸锡带不怎么吸锡,就涂一点焊锡膏在吸锡带上,效果会好很多。另外要避免电烙铁头直接接触焊盘,以免烧坏焊盘使焊盘脱落。最后要注意用酒精和海绵清洗掉残余焊锡膏并充分干燥。

    3.茶色隔热胶带的使用技巧:茶色胶带耐热,但是不隔热,贴在元件表面,元件照样受热。考虑到热量来源主要不是热辐射而是热风的热传递,所以用茶色胶带来引导热风的流向就能正确的保护好元件。具体做法是,胶带的一小半面积贴在元件靠向焊盘的那一边的边缘,另一半让它翘起来用来隔离热风直接加热的空间。)

    另外,为保护对温度变化极其敏感的芯片,还要在芯片表面直接贴两层茶色胶带以防止热风的直接加热损坏芯片的内部结构,例如显卡芯片上。

    4.最后重新组装笔记本电脑时,部分机型可以在显卡核心和散热片之间加上铜片,以加强显卡散热效果。(具体操作方法请参阅本刊10月下刊128页《软硬兼施——彻底解决高配独显笔记本电脑黑屏断电故障》一文)

    需要指出的是,笔者的机器是因为显卡脱焊导致花屏,所以不用买新显卡。但如果是显卡芯片出现故障或者损坏,就需要购买新的显卡来做BGA了。根据笔者的经验,如果出现故障的显卡是
NVIDIA GeForce 8400MGS或者8600MGS等存在缺陷的芯片,就要更换为对应的无缺陷改进版芯片。例如编号为G86-630-A2的显卡芯片,要对应换成编号为G86-631-A2的无缺陷版本芯片,方无后顾之忧。

    5.由于笔者此次BGA实验的主板是已经做过一次有铅BGA的显卡芯片,所以拆芯片时温度较低、时间较短。如果是没有做过BGA返修的无铅工艺的主板,那么拆芯片时要适量提高预热台的最高控制温度才能把芯片顺利取下,经过笔者在这之后对另一块主板的实验,验证预热台的最高控制温度要提高到350℃才能成功。并可以合理推断,如果要拆焊的芯片面积较大,那么预热台的控制温度也要适量提高。

   后记

    其实笔者自己动手做BGA返修也是第一次,没有任何经验可以借鉴,但一次就成功说明这种方法是切实可行的。只要有足够的勇气和耐心,再加上较强的动手能力,就能够把这个大多数玩家看来很棘手的“纸老虎”拿下。当然,这种方式存在着较高的风险,特别是在重植锡球和进行回流焊时对操作者的技术水平要求较高,大家在动手时一定要多加小心。不论如何,只要以科学严谨的方法为指导,以平和耐心的心态来操作,笔者相信那些想自己动手的朋友也一样会成功!

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