Nachlöten von BGA-Chips

Immer wieder kommt es vor, dass bei Rechnern, vorwiegend bei Notebooks und Laptops, nach einiger Betriebszeit Systemabstürze und Graphikfehler entstehen. Diese Graphikfehler äußern sich meistens als farbige Linien am Bildschirm, oder ungewöhnlichen Zeichen und Artefakten, die plötzlich auftreten. In sehr vielen Fällen ist das auf einen Fehler der GPU (Graphic Processing Unit) also den Graphikprozessor zurückzuführen. Da der je nach Bildschirmauflösung und Komplexität seiner Rechenoperationen thermisch sehr heiss wird, kann es zu mehreren Phänomenen kommen:

• die Kühlung des Rechners ist durch verstaubte und blockierte Luftwege eingeschränkt
• die Wärmeleitpaste zwischen dem Prozessor und der Heatpipe ist vertrocknet und spröde und kann die Wärme der Die-Cores nicht an die Pipe übergeben
• der Rechner ist falsch aufgestellt (z.Bsp. auf Polstern oder Decken), sodass Lüftungsöffnungen blockiert sind

All das führt zu einer starken Erwärmung bzw. Überhitzung der GPU. Die ist ja meist intern mit einem Schutz versehen und schaltet sich ab, bevor sie stirbt.  Der Chip besteht aber aus einem Substrat (einem Trägermaterial mit den vielen Anschlüssen BGA (BallGridArray) und dem eigentlichen Chip, dem Die, also dem Halbleiter). Um die unzähligen Anschlüsse von so einer GPU nun auch nach außen führen zu können, muß das Substrat um einiges größer sein als der Die. Und genau da entsteht das Problem. Der Die, also der Kern erwärmt sich und den Bereich des Substrats auf dem er liegt nun erheblich mehr, als den restlichen Bereich des Substrates. Dieses Erwärmen und Abkühlen verursacht auch eine thermische Längenänderung des Substratmaterials. Diese ist aber nicht homogen. Jetzt kann man sich vorstellen was mit den hunderten Balls (also den Zinnbällen mit denen das Substrat elektrisch zum Mainboard verbunden ist) passiert. Die werden durch die ständige thermomechanische Beanspruchung auch gestresst und beginnen irgendwann zu brechen. Dabei genügt es oft schon, wenn ein Ball keine saubere Verbindung mehr zum Mainboard herstellt. Dann führt das zu Ausfällen und Graphikfehlern.

Man findet im Netz oft viele Tips und Tricks, solcher Probleme Herr zu werden. Manche Leute nehmen einen Haarfön und braten mit heisser Luft auf den BGA Chip, in der Hoffnung, ein Neuverbinden der Zinnverbindungen auszulösen. Manche legen das ganze Mainboard in den Pizzaofen und backen es.  Wenn man es etwas professioneller angehen will, so kann man, wie in diesem Fall, mit einer Rework-Lötanlage den BGA nachlöten.

Die besten Varianten sind allerdings, den Chip zu reballen, also den Chip auszulöten und jegliches Zinn von Mainboard und Chip zu entfernen, danach den BGA-Chip mit neuen Zinnballs versehen und dann wieder auf das Mainboard zu löten. Die allerbeste Variante ist es, die GPU komplett zu erneuern. Jedoch sind diese beiden Möglichkeiten eine Preisfrage und bei älteren Laptops und Notebook sicher nicht mehr rentabel.

Also stelle ich hier das Nachlöten (resoldern) des BGA Chips mit Hilfe der Rework-Lötstation von ERSA (IR550) vor.

 Zuerst muss der Rechner zerlegt und das Mainboard freigelegt und ausgebaut werden. Hierbei ist es besonders wichtig, vorher alle Energiequellen (Akku) zu trennen und zu entfernen!

 Hier ist das Kühlsystem schon demontiert. Man sieht die trockene und spröde Wärmeleitpaste an den DIEs der CPUs und Bridge IC´s.

 Ein klassisches Beispiel für einen schlechten Airflow :D

 Ist das Mainboard nun ausgebaut, wird der betroffene Baustein entlang seiner Kante mit Flussmittelgel bestrichen. Das wird später beim Erhitzen dünnflüssig und durch die Kapillarwirkung unter den Baustein gesogen. Dort sorgt es dann wieder für einen verbindungsfreudigeren Lötprozess.

 Jetzt kann das Mainboard in der Lötanlage platziert und ausgerichtet werden.

 Der Lötvorgang wird vollständig vom Rechner gesteuert. Hier ist es wichtig, ein Temperatur und Zeitprofil zu erstellen, das den Erwärmungs- und Abkühlvorgang entsprechend der Baustein-Lötspezifikation erfüllt.

 

Ist der Lötprozess vollendet, kann man nach dem Reinigen sämtlicher, mit der Kühlung zusammenhängenden Teile, mit dem Zusammenbau beginnen. Ebenso muss die alte Wärmeleitpaste vorsichtig entfernt und durch neue ersetzt werden.

Das Video zeigt den hier beschriebenen Lötprozess.