火パソコンはなぜ壊れるのか(前編)工房やまだでは、最近とある修理業者さんからのご依頼でパソコンの修理をしています。その業者さんが修理のご依頼をお客様から受けて診断します。診断の結果BGA部分の不良であると分かった時だけ工房やまだに基板が届きます。夏ごろから何台もパソコンの基板が届き、修理をしてきましたが、すべて、GPUの不良です。理由は大きく2つ考えられます。1、熱GPUはBGAタイプのLSIです。Arrayの略でLSI本体の底面に半田のボールがあり(バンプといいます)バンプで基板と接続しています。GPUは電力を集中的に使用して多くの処理を行います。PCの能力はCPUやGPUの処理能力と冷却の性能が重要です。発熱するとどうなるか。上の図はとても大げさですが、GPUが働くことで加熱し、それが冷める事で、基板が局所的に熱にされされ、基板は次第に反っていきます。基板が反ると面で基板と実装されているBGAの4辺はどこかに無理がかかります。皆様は半田が大きく分けて2種類あるのをご存知でしょうか?基板の製造に関わっている人であれば当たり前の事ですが、そうでない方は知らないかもしれません。半田は、有鉛半田と無鉛半田の2種類あります。有鉛半田は共晶半田とも言い世界中で古来から使われているものです。調べてみると紀元前から使われているそう。http://ja.wikipedia.org/wiki/はんだ簡単に言うとスズと鉛の合金です。比較的低い温度(183°C)で融解し、ぬれ性が高いです。(*ぬれ性:接合部での半田の広がりの良さ、なじみやすさ)近年、含まれている鉛が環境に悪影響があるとして代替品に置き換わってきています。EUでは人命に関わる重要な設備の基板以外では共晶半田を使うことはできません。各国もそれに習っている状態です。無鉛半田はその為の代替品となるものです。鉛が入っていないため無鉛ですね。Pbフリーともよく言います。多くの種類があるのですが、融点は220°C前後と共晶にくらべ高く、ぬれ性も悪い場合が多いです。共晶半田に比べ硬くてもろいのが特徴です。融点の違いはとても大きいです。加熱しなくてはなりませんし、使用する部品の耐熱性を上げる必要があります。それと同じくらい問題なのは「ぬれ性が悪い」「もろい」という点です。Pbフリーで実装された製品は共晶で実装された製品に比べて、信頼性が低いということです。結果どうなったか上の写真は不良だと診断されたGPUを基板から取り外したばかりの状態です。BGAタイプのLSIの裏側、半田バンプが並んでいる部分にあたります。おかしい部分、わかりますか?今回も長くなってしまったので前後編で行きたいと思います。部品の取り外しって難しい(下)→次の記事HP更新-ページ内容を更新しました。火HP更新-ブログを開設しました。ブログを開設いたしました。日々頂いたお仕事についてや、思うこと、色々更新予定です。内容がまとまったものはHP内の記事にしていこうと思います。前の記事←BGAの半田条件を変える(Pbフリー→共晶)→次の記事HP更新-ページ内容の更新をしました。月BGAの半田条件を変える(Pbフリー→共晶)工房やまだではBGA部品のボールの乗せ代え(リボール)を行っています。BGAの実装不良で交換したい!けど交換する代わりのBGAがない!そんな時に一度はずしたBGAのボールを再生して実装し直すというサービスです。0.5mmピッチしかしこのリボール、もう少し用途があるんです。色々な問題からPbフリーの実装条件ではなく共晶の条件で実装しなければいけない場合があります。現在出回っている部材は多くがPbフリーに置き換わってきてしまっており共晶仕様の部品が手に入らないという事も十分にありえます。Pbフリー仕様のBGAが手に入らなければリボールしてしまうのも一つの手です。BGAからPbフリーの半田ボールを取り除いて共晶の半田ボールを載せ代えることで共晶の温度条件のリフローで実装することが出来るようになります。工房やまだでも時々BGAの半田ボールをPbフリーから共晶へリボールする依頼を頂いています。→次の記事HP更新-ブログを開設しました。端子が部品の底面に付いたボールであるもの事です。右:BGALSIの表面実装タイプの物で一般的なのは上の写真左からSOP、QFP、BGAの3つです。この内、SOPとQFNは端子が部品の側面に出ていて、BGAは裏側に出ています。(写真のBGAは逆さまにおいています。)この形状が実装の難しさに影響しています。BGAとSOP,QFPの違いBGAの実装がSOPやQFPと異なる点をあげて行きます。SOP、QFPは実装の状況が目で見えるが、BGAは見えない。SOPやQFPは端子が四角い部品の辺にあり、基板と「線」で実装される。BGAは端子が底面にあり、基板と「面」で実装される。SOPはリフロー、半田ごて、それぞれの方法で実装できるが、BGAはリフローによる実装しか出来ない。これらの違いがどういう問題を引き起こすか。1の理由からBGAの付いた基板の実装検査にはX線等を使わないといけなくなります。2の理由から、実装する基板に「反り」があるとBGAの端の端子が接続しないなどの不具合が出てきます。不具合が見つかった後に修正(リワーク)が難しいということです。X線写真BGAの取り外しには半田ごてを使うことが出来ません。基板に既に様々な部品が実装されている為に局所的にBGA部分のみを加熱して半田を溶かす必要があります。リワーク機そのために用いる装置がリワーク機(リワークシステム)です。使いこなすのが難しいのではないでしょうか。リワークする基板が何十枚もあって更にサンプルもあるなんて場合には条件出しをしながら取り外し、実装が出来ますが中々そのような事もないでしょう。一つしかない基板のBGAを一発勝負で直す!ここがやはり難しい所で、こういった依頼は多いです。