Приветствую посетителей форума! На ваш суд небольшая статья.
Проблемы с чипами NVIDIA1. Вместо вступления. BGA-монтажВ современных электронных устройствах, требующих микросхем небольших размеров с большим количеством выводов, применяются микросхемы с корпусом типа BGA (Ball grid array, в переводе с английского — «массив шариков»). Шарики из припоя, установленные снизу микросхемы, при BGA-монтаже обеспечивают контакт микросхемы с платой, на которую она устанавливается.
Условно крепление микросхемы к плате с помощью BGA-монтажа показано на рисунке 1:
Рисунок 1 – Фото платы с чипом
где:
1 – Плата, на которую устанавливается микросхема BGA.
2 – Контактные площадки платы, «пятаки».
3 – Шарики припоя.
4 – Контакты микросхемы.
При монтаже BGA, микросхему располагают на плате, центрируют и производят нагрев. Происходит расплавление шариков, которые становятся «приплюснутыми» и микросхема «садится» на плату.
Преимущества BGA-монтажа:
1. Более высокая плотность расположения контактов по сравнению с QFP и SOIC корпусами. При равном числе требуемых выводов, может потребоваться площадь QFP- и SOIC-микросхем в несколько раз большая, чем площадь аналогичной BGA-микросхемы.
2. Корпуса BGA-микросхем имеют больший шаг выводов, чем микросхемы в корпусах QFP и SOIC, что снижает процент брака из-за спаивания припоем соседних выводов.
3. Снижение наводок из-за малой длины контактов, соединяющих микросхему и плату.
4. Улучшенный теплоотвод от кристалла микросхемы на плату через шарики, по сравнению с микросхемами с контактными ножками.
Недостатки BGA-монтажа:
1. Негибкость выводов. При сильном изменении температур, например, при циклах «нагрев-охлаждение» контакт между шариками и микросхемой или платой может нарушиться. К этому также могут привести вибрация, удары или изгиб платы.
2. Трудность диагностики нарушений BGA-монтажа: так как контактные выводы размещены на обратной стороне микросхемы, обращённой к плате, то визуально определить целостность монтажа трудно или вовсе невозможно. Для выявления дефектов BGA-монтажа используется дорогостоящее оборудование, такое как рентгены и специализированные микроскопы. Кроме того, проблемы с BGA-монтажом иногда можно определить косвенным методом, по признакам неисправности для конкретного устройства.
3. Трудоёмкость устранения нарушений BGA-пайки. Для качественного ремонта необходимо нагреть и демонтировать микросхему, удалить поврежденные шарики (часто удаляют все), установить новые (готовые, либо созданные прямо на микросхеме с помощью паяльной пасты и трафаретов), и провести повторный монтаж микросхемы на плату. Данная процедура называется «реболлинг» (от англ. «reballing», дословно «перешаровка»). Реболлинг требует наличия оборудования для пайки микросхем и определённых навыков мастера. В некоторых случаях для восстановления контактов используют прогрев микросхемы и платы (называемый иногда «пропайка»), основанный на том, что при нагреве тела расширяются, изменяя свою форму, что может привести к восстановлению контакта. Однако такой метод не гарантирует надежной работы устройства в будущем, поскольку при одном из последующих циклов «нагрев-охлаждение» контакт может пропасть вновь, кроме того, этот метод не поможет, если поверхность контактной площадки и/или оторвавшегося шарика окислилась.
2. Подробнее о дефектах BGA-монтажаСуществуют следующие основные дефекты BGA-пайки:
1. Шарик оторвался от контактной площадки и остался на материнской плате. При этом шарик и место контакта могут быть окислены. Выходом в этой ситуации является реболлинг.
2. Шарик оторвался от контактной площадки и остался на микросхеме. Иногда через некоторое время, а также при надавливании на чип или прогреве, устройство запускается. Как и в предыдущей ситуации, возможно окисление шарика и контактной площадки. Методом исправления данного дефекта является реболлинг.
3. Отрывание контактных площадок от платы. Может быть вызван ударами или деформацией платы. Иногда «пятаки» отрываются при снятии чипа, особенно, если он залит компаундом. В данном случае требуется восстановление контактных площадок (что является довольно трудоемким процессом и не всегда возможно) и последующий реболлинг.
В интернете можно найти описание кустарных методик, при которых видеокарты и материнские платы прогревают с использованием ламп, прожекторов, строительных или радиомонтажных фенов, кладут платы в духовку и т. д. Следует отметить, что такие методы, хотя зачастую и могут привести к восстановлению работоспособности устройства, фактически являются игрой в рулетку: невозможно визуально оценить состояние всех шаров и площадок после прогрева, нельзя решить проблему окисления, нагрев платы и микросхемы происходит с весьма приблизительным контролем температуры, большая вероятность повторного проявления дефекта через некоторое время, что не дает возможность давать серьезные гарантии работоспособности устройства и повышает вероятность возврата. Операции с микросхемами должны производиться на устройствах, позволяющих достаточно точно контролировать температуру ремонтируемых компонентов и скорость её изменения. Обязательно должен использоваться нижний подогрев, для предотвращения деформации платы из-за нагрева.
3. Проблемы с микросхемами NVIDIAВ 2007-2008 годах компанией NVIDIA было произведено несколько десятков миллионов бракованных микросхем чипсетов и видеокарт. При этом симптомы неисправностей устройств были похожи на нарушение BGA-монтажа между микросхемой и платой, прогрев или реболлинг зачастую возвращали плате работоспособность. Гораздо позже NVIDIA признала проблему официально: причиной брака стали некачественные материалы, использованные при креплении кремниевого чипа к подложке микросхемы (кристалл крепится к микросхеме тоже с помощью BGA-монтажа):
Рисунок 2 – Иллюстрация дефекта в чипах NVIDIA
Примечание: на рисунке не показаны контактные площадки, шарики под реальной микросхемой сплюснуты, как на рисунке 1.
Таким образом, из-за дефектных материалов происходит отслоение кристалла от чипа, т. е. причина отказа, чаще всего, кроется не в нарушении контакта между чипом и платой, а в нарушении контакта между корпусом чипа и кристаллом.
Компания NVIDIA не имеет своего производства чипов, а выпускает их на фабриках сторонних компаний. Но непосредственный виновник брака оглашён не был. Одни источники утверждают, что виноваты партнёры, формировавшие шариковые выводы на чипах: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Advanced Semiconductor Engineering (ASE) и Siliconware Precision Industrial (SPIL), вторые – что виноваты поставщики материала печатных плат: Nay Ya Print Circuit Board (NPC) или Phoenix Precision Technology (PPT), третьи – что виновата сама NVIDIA, проведя квалификационные тесты материала упаковки недостаточно тщательно. Однако вышеперечисленные организации отказались от комментариев или сказали, что их продукция не является причиной брака. Во второй половине 2008 года, по утверждениям NVIDIA, дефект в производстве микросхем был устранён.
Отслаиванию кристалла способствуют перепады температур из-за циклов нагрева-охлаждения, которые могут быть особенно сильно выражены при играх, недостаточно эффективной системе охлаждения или её загрязнении.
4. Ремонт ноутбуков с дефектными чипами NVIDIAЕдинственно правильным способом ремонта ноутбука с дефектным чипсетом или видечипом NVIDIA является замена бракованной микросхемы (или видеокарты целиком, если неисправен видеочип на дискретном видео с разъёмом MXM). Прогрев чипа приводит лишь к временному восстановлению контакта, описанному в п. 2. Также неэффективен реболлинг, поскольку проблема, чаще всего, не в нарушении BGA-монтажа между чипом и платой, а в нарушении BGA-монтажа между чипом и кристаллом. Кратковременное восстановление работоспособности после реболлинга вызвано всё тем же нагревом, которому подвергается чип при операциях снятия/установки на плату.
Прогрев чипа можно рекомендовать только в качестве первичной диагностической операции, для точного определения брака в производстве микросхемы. Если после нагрева чипа ноутбук запустится, то можно быть уверенным в этой типовой неисправности.
Нужно заметить, что, так как на сегодняшний день производство чипов на замену бракованных прекращено NVIDIA, то имеется дефицит подходящих для установки микросхем. Кроме того, на рынке присутствует большое количество б/у микросхем, снятых с неисправных ноутбуков, восстановленных прогревом, отреболленых и т. д. Также имеет место перемаркировка чипов, подробнее об этом можно прочитать, например, в
этой теме.
С уважением, Алексей Соболев aka Alessio, Мариуполь. Жду ваших дополнений и замечаний.
P. S. В официальном интернет-магазине NVIDIA можно было приобрести
стильный брелок всего за $9.99. Это не реклама, а бизнес-идея для мастеров