Одна из таких скрытых технологий, за которую мы платим покупая процессор, телефон, видеокарту и прочие девайсы — UBM (under bump metallization) — металлизация площадки на кристалле под монтаж шариковых выводов.
Развитие микроэлектроники приводит к увеличению плотности интеграции компонентов как на кристалле ИМС, так и на текстолите. Если на кристалле выводов не слишком много, от одного до пары сотен и больше, то кристалл можно проектировать под проволочную разварку. Примеров множество: flash память, чипы оперативной памяти, звуковые чипы и прочее. Здесь читатель может вспомнить как выглядят некоторые корпуса микросхем, и сказать, что корпуса припаяны на шариковые вывода, и будет прав. Только внутри этих корпусов кристаллы приклеены и разварены проволокой. Далее речь будет идти про шариковые вывода, располагающиеся между кристаллом и корпусом.
Рис. 1 Чип ОЗУ Hunix. Схематично показана разварка кристалла (белые черточки) и
сам кристалл (темный прямоугольник), хотя сам корпус припаян на шариках.
Если количество выводов у потенциального кристалла велико, от 600 до over 4000, то разработчик разрабатывает кристалл сразу под шариковые вывода, например, такие кристаллы, как CPU и GPU. Да и физически разварка проволокой такого количества выводов это длительный последовательный процесс, а про программирование машины вообще молчу.
Рис. 2 Графический чип AMD Fiji. На кристалле ИМС более 4000 припойных шариков, не на корпусе.
Шариковый вывод представляет собой шарик из припоя (может быть свинцосодержащий или без оного), который выполняет одновременно 3 функции:
1. Держит кристалл на текстолите или кремниевом интерпозере (как у AMD Fiji)
2. Служит для отвода тепла
3. Создает электрическое соединение кристалла с внешней средой
Если кристалл изготовлен под шариковые вывода, то контактные площадки из меди формируются по всей поверхности кристалла в виде некоторой матрицы, и представляют собой по сути продолжение топологии кристалла. Затем на медь, где это нужно, наносится защитный слой пассивации, и не наносится там, где будет располагаться шарик. Открытой участок меди покрывается слоем UBM и после этого он готов к нанесению шарика. Часть слоя UBM ложится на пассивацию, тем самым полностью закрывая медь и создавая выступ по периметру площадки.
Рис. 3 КП под шариковый вывод. Желтый цвет – медь под пассивацией, серый – покрытие UBM.
Если кристалл изготовлен под проволочную разварку, то контактные площадки (КП) для разварки представляют собой прямоугольники с покрытием в основном из алюминия, и располагаются по периметру кристалла.
Напрямую подсоединить припойный шарик к такой КП тоже невозможно: припой не может припаяться к алюминиевой площадке. Чтобы это сделать припаять шарик, также применяют технологию UBM.
И так, UBM это прослойка между припойным шариком и металлом контактной площадки на кристалле. Её задачей является адгезия с контактной площадкой, диффузионная защита и смачиваемость для припоя. UBM необходима для создания структур с шариковыми соединениями и она также позволяет создавать структуры для шариков и на ИМС, созданных для разварки.
Рис. 5 Месторасположение UBM
Интерфейс UBM должен обеспечивать выполнение следующих условий:
1. Создавать надежную связь с алюминием контактной площадки и со слоем пассивации на кристалле. Важно, чтобы сам слой пассивации был без мелких отверстий, потому что это может привести к замыканию при создании проводящих слоев UBM.
2. Иметь низкое сопротивление с контактной площадкой. Для выполнения этого требования оксид алюминия удаляется с поверхности КП перед нанесением первого слоя UBM.
3. Обеспечивать барьер для диффузии материала припойного шарика и материала КП.
4. Внешний слой UBM должен быть смачиваемым для припоя.
5. Иметь защиту от образования окисного слоя на открытой поверхности.
6. Оказывать как можно меньшее напряжение на кристалл.
UBM представляет собой как минимум 3 втравленных слоя тонких пленок металлов.
1. Слой адгезии к КП. Служит для формирования связи между металлом КП и слоем пассивации ИМС и защищает от диффузии между КП и припойным шариком. Обычно используемые для этого материалы: Хром (Cr), титан (Ti), титан/вольфрам (Ti/W), никель (Ni), молибден Mo. Толщина этого слоя порядка 0.15 – 0.2 мкм.
2. Слой, смачиваемый для припоя. Для создания паяного соединения с припойным шариком. Используются металлы: Медь (Cu), Никель (Ni), Палладий (Pd). Обычная толщина слоя ~1 – 5 мкм.
3. Слой защиты от окисления. Для этого используется золото (Au). Толщина ~0.05 – 0.1 мкм.
Можно составить много комбинаций слоев UBM, например, Ti/Cu/Au, Ti/Cu, Ti/Cu/Ni, TiW/Cu/Au, Cr/Cu/Au, Ni/Au, Ti/Ni/Pd, Mo/Pd. Однако разные структуры UBM имеют разные свойства и разную надежность. Например, Ti/Cu/Ni имеет лучшую адгезию, чем Ti/Cu. Комбинации материалов UBM сказываются на надежности соединения к площадке кристалла, так и к шарику припоя. UBM должена быть совместима с материалом припойного шарика. Внешний слой UBM, который хорошо работает со свинцовыми припоями, может плохо подходить для бессвинцовых припоев. Например, Cu дает хорошее паяное соединение со свинцовыми припоями, и плохое с бессвинцовыми, потому что чистое олово образует интерметаллическое соединение с медью Sn-Cu. Если медь полностью поглотиться припоем, то контакт разорвется.
Посмотрим, как это выглядит на примере микросхемы, которая была изначально разработана для проволочной разварки, а затем доработана под шариковые вывода. Причем топология кристалла никак не менялась для шариков. И правда, если кристалл работает, зачем лезть? Это микросхема WL1271L – микросхема Wi-Fi и Bluetooth от Texas Instruments. На фото её фрагмент:
Рис. 6 Фрагмент кристалла WL1271L.
Вот тут привлекает момент, что есть возможность, не прибегая к изменению топологии кристалла адаптировать его под шариковые вывода с помощью формирования слоев поверх кристалла. Для этого требуются дополнительные операции над пластиной с кристаллами, операции формирования шариков, но это дает преимущество в экономии места на плате, ведь при размерах шарика в 200 — 250 мкм ему не нужна плата переходник, то есть можно производить монтаж кристалла прямо на плату. Насколько мне известно, в России такого не делают, хотя микросхемы есть, которые подходят для этого, зато некоторые импортные ИМС так делают. По-хорошему такая технология должна удешевлять стоимость конечного продукта. Для военных она может не подойти из-за требований надежности, а вот для домашнего использования, при достижении приемлемой цены, вполне.
Теперь посмотрим на пример ИМС, которая разработана специально для шариковых выводов. Берем видеокарту, и взламываем кристалл, зачищаем, протравливаем смесью персульфата аммония и медного купороса.
Рис. 7 Контактная площадка до (слева) и после травления (справа).
При травлении олова (а шарики должны быть бессинцовые) олово вытесняет медь из медного купороса, а потом эту медь в виде металла поглощает персульфат аммония. Таким образом площадка очищается от олова. Под микроскопом при изменении фокуса видно углубление после удаления олова, на фото это не так хорошо видно. Медные провода, расходящиеся от контактной площадки не подверглись травлению, потому что защищены пассивацией. Медь под самой контактной площадкой также осталась не тронутой, потому что верхний слой UBM не вступил в реакцию ни с персульфатом аммония, ни с купоросом, тем самым обнажив себя и по этому его свойству можно погадать, что это за металл.
Теперь о проблеме шариковых выводов. При проволочной разварке кристалл соединяет с корпусом алюминиевой / золотой проволокой и даже если её деформировать, соединение останется, потому что проволока пластична. А вот шариковый вывод жесткий, мало пластичный, не тянется и при определенных условиях он может отстать от контактной площадки (потому что в этом месте толщина металла минимальна => нагрузки больше). Разрушение / отслоение приводит к росту сопротивления и разрыву цепи.
Рис. 8 Расположение слоя UBM и шарика (вид сверху).
UBM располагается непосредственно под шариковым выводом (если смотреть на кристалл со стороны шариков). При расположении друг на друге шарик оказывает напряжение на UBM и может отсоединиться со слоем металла UBM или от самого UBM.
Некоторые отсоединения шарика не скажутся на работе устройства, например, при наличии большого количества шариков по питанию, подключенных параллельно, отсоединение одного из них не приведет к сбою в работе устройства. А вот если отсоединение происходит на линии, по которой идут данные… Такая проблема называемой “отвалом чипа” и приводит к сбоям в работу устройства. Так вот, это отваливается / отвалился шарик не между подложкой и платой (хотя и такое может быть), а между кристаллом и подложкой. С большой долей вероятности разрушение контакта шарика произошло в месте припайки к UBM из-за многочисленных циклов нагрева/остывания кристалла. А видеокарты разогреваются быстро и до больших температур, что приводит к механическому напряжению. Поэтому справедливо правило, чем лучше охлаждение и “холоднее” система, тем дольше она прослужит. У процессоров интеловских критическая температура до 65 С, после которой начинает срабатывать защита от перегрева, а у видеокарт температура может доходить до 80-90 градусов.
Как утверждают на просторах интернета, можно засунуть видеокарту с отвалившимся кристаллом! (а не с другой проблемой, а потом кричать, что все починилось и автор не прав) в духовку и прогреть, и видеокарта снова заработает. Этого делать не нужно, потому что можно отравиться парами от пластмассы/текстолита и это не отремонтирует видеокарту. На некоторое время работоспособность может восстановиться, потому что из-за теплового расширения может пробиться окисный слой, но на долго, пока процесс коррозии/теплового расширения опять не отсоединит контакт, а это случится. Единственное для чего есть смысл греть видеокарту – это для диагностики, чтобы точно определить отвал.
Комментарии (51)
ivan386
19.01.2016 21:54Я уже сотню раз реанимировал видео чип ноутбука прогреванием кристалла при помощи утюга. Сегодня попробовал паяльником. Положил плоское жало на кристалл и прижимал немного толстым прутом олова. Как только олово стало рисовать(плавиться) на жале я остановился. После этого кристалл продолжил работать.
Это не надолго но позволяет продолжать пользоваться ноутбуком дальше. Остальные способы греют также всё вокруг кристалла и могут вывести из строя или отпаять что нибудь ещё.
RomanSansay
19.01.2016 22:03+5Не ремонт это. Ремонт это когда заказываешь микросхему в упаковке аналогичную, под инфракрасную станцию — выпаиваешь старую, впаиваешь новую. Вот ремонт. А погреть… я тоже грел, на чуть чуть хватило
lenz1986
20.01.2016 10:48А насколько хватает ремонта с заменой? Я просто тоже сервисник, и пока торможу все работы после диагностического прогрева, дунул феном на 10-15 сек, завелось, значит отвал чипа. Просто после покупки и замены чипа на новый сколько он служит в дальнейшем?
Rumlin
20.01.2016 11:14Если это настоящий чип, а не мошенничество с восстановлением б/у чипов, то столько же, при условии что система охлаждения работает как новая. Скорее всего умрет, что-то другое. Потому я не рекомендую ремонтировать ноутбуки старше 3-х лет. Отремонтировал видеокарту, а через пару месяцев пришло время умереть северному или южному мосту.
lenz1986
20.01.2016 11:49В больших городах может быть и так, но у нас маленький город с население 70к, и купить новый ноут может не каждый. Вот и тащат всех старичков. И часть народа готова оплатить и замену чипа, обычно севера умирают, но я такую работу не делал вот и думаю о целесообразности затрат на оборудование. И целесообразности ремонта.
Rumlin
20.01.2016 12:24Имхо, только если делать свою паяльную станцию, это будет намного дешевле и скорее всего сэкономит пару тысяч долларов за равноценную заводскую. И иметь ввиду, что придется
- искать качественного поставщика т.к. никакой гарантии на чипы нет. А если чип старый, то это будет, то что найдется и не факт, что рабочий, даже у проверенного поставщика.
- делать гарантию на 6 месяцев (за свой счет — потому понимать все риски конкретного ремонта т.е. при признаках залития, копания в ноутбуке ранее — предупреждать клиента об ремонте с заменой чипа без гарантии на чип) — это будет отличать от прогревателей и создаст добрую репутацию.
lenz1986
20.01.2016 12:31Вот насчет самодельной ИК станции я не находил конечно информации… А все остальное оно и так понятно.
А насчет поставщика, это наиболее проблемное, пока пробую партсдирект как поставщика чипов, по крайней мере мультики приходившие от них оказались рабочие.Rumlin
20.01.2016 12:47В свое время были темы на monitor.net.ru/forum/index.php, notebook1.ru/forma1 и др. тематических форумах
Ситуацию сейчас не знаю. Раньше у нормальной станции должно быть минимум два термодатчика (сверху и снизу платы), ПИД-контроллер (-регулятор) для управления верхним и нижним нагревателем. Керамические нагреватели считались модными, но дорогими (по бюджету народ делал по разному, например последовательно соединённые галогеновые лампы-трубки).
Надежность чипов покажет только ремонт. Есть и независящие факторы, кроме самого неудачного монтажа, например чипы могут просто отсыреть, как у поставщика, так и по дороге. В больших сервисах новые чипы выдерживают несколько часов в специальной печке (по-моему со стабильной температурой чуть больше 100). Если сырой чип паять — будет «попкорн». Расслоится.lenz1986
20.01.2016 12:57Ясно спс. Но честно городить такой огород я хочу в меньшей степени. Работоспособность будет зависеть от сотни факторов.
Был бы объем работы способный отбить затраты на оборудование я бы приобрел фирменное, которое не надо сочинять на коленке, с техподдержкой. А пока объемов нет, соответственно эту сторону работ придется обходить стороной.
Я стал уходить от создания своего оборудования после того как банально пришел к выводу что купленное оборудование будет работать сразу и приносить прибыль, а самодельное будет вечно требовать настройки наладки и прочей ерунды, затрачивая время и нервы. Банальнейший пример разблокировка\отвязка от оператора телефонов на платформе MTK, можно делать методом на коленке изучая форумы, искать решения в интернете, сидеть на 4пда, а можно купить свисток от фуриуса и получить софт который делает все сам, и просит только подключить телефон к компьютеру. В первом случае я потрачу часа два, а во втором за два часа перелопачу десяток телефонов.Rumlin
20.01.2016 14:05Свисток намного сложнее. Фактически паяльная станция должна выполнять нагрев с определенной скоростью (профиль) до заданной температуры. Физика, которая сильно не изменится, от модели к модели ремонтируемого устройства.
Тенденция такова, что цена электроники снижается и будет снижаться, она становится более неремонтопригодной. Имхо в ближайшие годы ремонт будет складываться из программных ремонтов, замены экранов, ремонта корпусов, замены батарей/разъемов, и замене микросхем флеш/ОЗУ. Процессоры, чипсеты — не будет смысла из-за стоимости и доступности. Т.е. между ремонтом мобилок и ноутбуков граница будет минимальна. А производители будут просто менять на новое устройство по гарантии.lenz1986
20.01.2016 14:29+1Привожу пример тенденции :)
Новенький ноутбук Lenovo G50-30.
Tiberius
20.01.2016 14:39Странно, у меня даже на Lenovo Yoga 13 стоит куллер, который хоть и тихо, но шуршит.
lenz1986
20.01.2016 14:49Там история не сильно лучше, помимо всего прочего еще и оперативная память распаяна, и плата расположена ровно под клавиатурой, и держится на креплениях под клавиатурой, чуть сильнее надавить на кнопки и отвал детали можно словить очень легко. Единственное что можно поменять на данном ноутбуке это m2 ssd и m2 wifi, и то ssd только определенной длины можно засунуть, короткие не пойдут.
А насчет вентилятора, там стоит камешек i3, он все таки потеплее селерона который установлен в Lenovo G50-30.
Lenovo Yoga 13
Rumlin
20.01.2016 16:01Да уж. Дешевые ноутбуки на мобильных АМД и то были с радиаторами, хоть там и процессор размером с чипсет.
lenz1986
20.01.2016 16:06только у них тепловыделение в итоге было в разы страшнее и больше чем у интелов, и горели они быстрее. А сейчас статистика экономии на всем докатилась и до интеловских сборок, и они тоже начали гореть.
Mulin
19.01.2016 22:40+1«На некоторое время работоспособность может восстановиться, но на чуть-чуть, пока процесс коррозии/теплового расширения опять не разорвет контакт, а это случится быстро.»
GTX 590 глючила страшно, на высоких разрешениях вырубала комп. Помог прогрев над газовой конфоркой. Работает больше года. Но статья очень понравилась.
Tiberius
20.01.2016 01:16+1В продолжении предыдущей истории — таки через пару лет «новый» чип всё равно издох, так что вывод из статьи правильный — прожарка это полумера, которая рано или поздно не сработает более.
dfgwer
20.01.2016 06:23" из-за многочисленных циклов нагрева/остывания кристалла. "
Тогда имеет смысл подогревать во время простоя? Чтобы температура не скакалаRumlin
20.01.2016 09:21+1Лучше хорошее охлаждение. Важна не сама температура, а дельта температуры, от которой напрямую зависит термическое расширение материалов. Чем меньше разница температур между включенным и выключенным состоянием, тем лучше.
Наверное, многие могут вспомнить массовое появление на рынке бесшумных видеокарт несколько лет назад, например, видеокарт NVidia 8500-8600 с огромными радиаторами без вентиляторов. Вскоре эти видеокарты так же массово стали выходить из строя. И маловероятно, что эти видеокарты дожили до наших дней. В тоже время топовые 8800 в исполнении таких гуру как Gainward, с монстроообразными радиаторами на термотрубках, дожили до наших дней. У приятеля она до сих пор живет — под нагрузкой температура видеокарты не поднимается выше 40С с небольшим (зависит от комнатной). У знакомого жива Gigabyte Geforce 9600, безвентиляторная, с большим радиатором с термотрубками, но она «всю жизнь» обдувалась большим корпусным вентилятором.
Замена чипсета на материнской платеTiberius
20.01.2016 11:01Да, вот только стояла карточка в ноутбуке, а там, как сами понимаете, с эффективным охлаждение трудновато, особенно если использовать на полную его возможности…
Rumlin
20.01.2016 11:16+1Наверное сейчас такое не делают — слишком толстые ноутбуки получались, а сейчас это не в моде.
Keroro
20.01.2016 08:09+2Прогрев хорош еще и тем, что помимо пропайки собственно контактов может (при некоторой удаче) восстанавливать на какое то время работоспособность полупроводниковых схем. Эффект известен с советских времен. Лично оживлял убитый грозой свич (при включении мигал всеми лампочками) прогрев как следует его процессор. Проработал пару месяцев, пока следующая гроза не добила его окончательно.
Rumlin
20.01.2016 08:39+1Какие-то мониторы Samsung ремонтировались прогревом его процессора. Инструкция на форуме ремонтников гласит — «греть, пока наклейка на процессоре не станет черной».
Khort
20.01.2016 11:28Проблема еще в том, что поверхность шарика при прогреве начинает окисляться. Поэтому если до прогрева контакт был не очень хороший, то после прогрева получится либо пропай, либо окисел (т.е. контакта не станет вообще).
В некоторых случая может помочь закачать немного раствора канифоли с помощью спирта. Но учтите — канифоль (особенно подгоревшая) является проводником, особенно на высоких частотах, поэтому ее в обязательном порядке надо потом вымыть спиртом. Чем ближе непропай к краю, тем легче использовать канифоль.
Непропай можно в некоторых случаях обнаружить с помощью тестера -если с цепи спаять все компоненты кроме БГА, то достаточно измерить сопротивление на землю с помощью тестера: если сопротивление 10-100 мегаОМ и не меняется, то контакт есть, если же цифры сильно «пляшут», то пропая нет и тестер пытается перезарядить паразитную емкость. Примерно так же, с помощью тестера, можно диагностировать выгоревший пин (у ПЛИС, к примеру).
amarao
Что значит «не стоит делать»? Если вариант после исчерпания гарантии получить ещё пару-тройку месяцев работы или сразу пойти купить новую, то почему человек должен эти несколько месяцев выбрасывать? Железка мертва и не на гарантии. Что будет хуже-то?
RomanSansay
Не получишь ты 3 месяца работы, тем более из духовки. И еще надышишься текстолита.
amarao
Точно нет? Я вот слышал про success story, когда да.
RomanSansay
Я не могу запретить вам это делать, делайте на свой страх и риск. Если соберешься это делать, то я не хочу брать на себя вину за твое здоровье, потому что советовал это делать.
amarao
Перевожу на русский: включайте вентиляцию и откройте окна при прожарке.
POS_troi
Тут стоит сразу уточнять что подорузумевется — жарка народным методом или прогрев термофеном/ИК. :)
ploop
Хм… а у знакомого и по сей день работает, прожаривал ему я пару лет назад.
И да, я жив ещё :)
Calvrack
А разве текстолит не рассчитан на нагрев при пайке? Чем нагрев термофеном отличается от нагрева в духовке? Или токсичен лак?
Rumlin
термофен греет локально с предсказуемой температурой
Calvrack
Какбы… духовка конечно греет глобально — и конечно в том числе греет пластик разъемов и наклейки, и пыль — с этим можно бороться. Но вот что-что а температура духовки ничуть не менее предсказуема, если духовка нормальная.
Rumlin
Электролитические конденсаторы выйдут из строя при нагреве выше 100С
Calvrack
Ну слушайте… вопрос-то был про токсичность. Ну чего теперь… а еще наклейки с термопечатью потемнеют.
По поводу того, что пропеченный чип отдаст концы куда раньше нового есть и статистика, и некий консенсус. То-есть никто не против, что если началось — то хорошо бы заменить чип полностью. Вопрос экономической целесообразности в условиях постоянного морального устаревания аппаратуры и сопряженных рисков.
Так-то я тоже согласен — пусть Китай травится производя всю цепочку операций изготовления нового чипа, чем ремонтник у которого вытяжка не самая сильная.
Rumlin
О чем вопрос был и не уследить… Если электролиты защитить фольгой, то 30-90 секунд можно греть до 280. Текстолит разлагается при более высоких и рассчитан на температуры пайки. Единственное что «когда ему плохо» — он меняет цвет, это признак что уже запредельные условия
Calc
раз в 3 месяца другу в ноутбуке восстанавливаю видеокарту. Феном, не духовкой.