BGA-пайка корпусов в домашних условиях

С выходом четвертого поколения процессоров intel Core под названием Haswell, мной был приобретение процессора intel Core 4770K, надежды и мечты были огромные, но все было омрачено перегрев, о разгоне выше 4,1 MGz можно было забыть смело и навсегда. Всему виной стал новый термоинтерфейс между теплораспределительной крышкой и кристаллом процессора. Так почему intel стал применять пластичный термоинтерфейс вместо припоя? О скальпировании intel 4770k и роли теплораспределительной крышки я уже писал ранее и только теперь можно смело сказать по чему intel намерено на протяжении долгих лет использует тонкие чем надо крышки. Этот вопрос не давал покоя мне долгое время и я стал изучать более детально все составляющие компоненты процессоров начиная с линейки Haswell. В одно и то же время линейка процессоров на socket 2011, 2011-3 спокойно использует под теплораспределительной крышкой припой.

В настоящее время процессоры производятся и имеют внешний вид кремниевой микросхемы. Кремний является основным материалом для создания процессоров, обладая кубической кристаллической решеткой можно создавать идеальные слои на атомном уровне. Таким образом после создания интегральной схемы, на аерхней части подложки будут размещены металлизированные площадки для соединения чипа с печатной платой, припой в виде шариков обеспечит надежность соединения чипа. Сама матрица чипа, будет производить и выделять достаточно большое количество тепла, относительно своих физических размеров, по этому нужен хороший теплоотвод . Одновременно возникает другая проблема в текстолите socket LGA, его толщина всего около 1,17мм (процессор Haswell ), но процессор Skylake имеет толщену текстолита около 0,78 мм. Текстолит будет давать идеальное подключение к контактам LGA в гнезде материнской платы . Главная проблема, как соединить кристалл, изготовленный из кремния и теплораспределительную крышку, произведенную из меди. Медь имеет теплопроводность около 400 Ват, плюс она доступна. Есть много способов все это соединить, но реально мы столкнемся с множеством факторов, самый главный — это максимальная температура которую может выдержать чип кремния и теплопроводность совместимых материалов.

Вся правда о пайке или скальпирование CPU

На рисунке видно как схематично выглядит процессор intel поколений lvy Bridge, Haswell, Skylake. Видно что, подложка соединяется с печатной платой через столбики припоя, которая в конечном итоге соединяет процессор с socket LGA. Виден так называемый не долив, тот что на печатной плате, основание и выступающая часть имеют разные коэффициенты теплового расширения, таким образом недолив защищает процессор от саморазрушения, вызванного разностью коэффициента теплового разрушения. Теплораспределительная крышка будет проводить тепло от подложки к радиатору, который будет крепиться на теплораспределительную крышку сверху. Термоинтерфейс должен быть пластичным и должен компенсировать все движения из-за разности теплового расширения, без повреждений кристалла процессора. В зависимости от типа процессора, между подложкой и теплопроводящей крышкой, можно применять обычную термопасту или припой.

Вся правда о пайке или скальпирование CPU

Кремний и медь совершенно разные материалы, кремний ( Si ) имеет внешний вид металла, но остается по восприятию как стекло (SiO2 ) , тоесть хрупок. Теплопроводность довольно хорошоя, примерно 150 Вт / (м * К) и тепловое расширения относительно низкое 2,6 мкм / (м * К).

Медь (Cu) это пластичный металл, обладает очень хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Тем не менее тепловое расширение большое 16,5 мкм / (м * К), это больше в 6 раз, чем у кремния. Как все спаять, обычный оловянный припой, на пример такой Sn60Pb40, подходит отлично для пайки медных проводов, не подойдет, все припои на основе олова не прилепают к кремнию. Кроме того, затвердевание олова ведет к большому тепловому напряжению внутри материала. Это тепловое напряжение может вывевти из строя кристалл процессора. Известный материал способный прилипнуть к меди и кремнию это Индий. Одновременно с этим застывающий индий не дает большой усадки, это приводит к небольшому коэффициенту термического напряжения внутри кристалла процессора. Теплопроводность индия не так высока как у меди, равна (300 K) 81,8 Вт/(м·К). Кроме того индий очень пластичен, это позволяет подложке, относительно теплораспределительной крышке, расширяться без повреждений. Индий имеет температуру плавления 157 ° С.

Вся правда о пайке или скальпирование CPU Привычной для нас пайкой тут не отделаешься, крышка из меди а кристалл из кремния, при этом сроки эксплуатации готового процессора составляют многие годы, это накладывает особый отпечаток на качество работ. По этому нужно правильно и качественно подготовить все составляющие для пайки, это теплораспределительная крышка и подложка ( кристалл процессора). Теплопроводящая крышка (платина) покрыта слоем никеля (Ni), никель будет работать в качестве диффузионного посредника для качественного соединения с медью. Индий тоже цепляется за никель но не так хорошо как хотелось, поэтому понадобится еще один слой, желательно из благородного металла, на пример золото (Аu), серебро (Ag) или палладий (Pd), поскольку может обеспечить более стабильное прилипание. Золото по всем параметрам подходит лучше для пайки. Золото нужно наносить на пластину слоем 1-3 мкм.

Как было описано выше, индий является единственным материалом который годится для использования. В зависимости от формы индия мы должны удалить оксидный слой перед пайкой. Это может быть сделано путем селективного травления с использованием хлористоводородной кислоты. Слой индий должен быть толстым, чтобы обеспечить достаточное количество циклов тепловом расширения без образования трещин, при многократных термических процессов. И мы не можем припоять индий к кристаллу процессора, так как индий будет диффузировать в кремний, что не избежно со временем выведет чип процессора из строя. Таким образом нужен еще один диффузионный барьер слой на верхней части чипа. Диффузионный барьер формируется из нескольких слоев, выполненных из титана (Ti), никель (Ni) и ванадия (V). Сверху этого бутерброда, лежит слой золота для лучшего прилепания индия.

Вся правда о пайке или скальпирование CPU

Итак получилось: Никелерованная теплораспределительная крышка сверху, снизу слой золота для связи с индием, еще ниже три слоя, титан, никель + ванадий и золото. Температура пайки должна быть не выше 170 ° С. Меньше температура может привести к плохой диффузии всех компонентов а высокая к выходу из строя процессора. В процессе пайки будут образовываться сплавы из некоторых компонентов. После пайки видно что золото, индий и никель образуют сплавы различной толщины. Теперь теплораспределительная крышка припаянна к кремнию и готова к работе.

Вся правда о пайке или скальпирование CPU

В процессе пайки индий будет сокращаться, в результате поверхность кремния и крышки будут стягиваться, в результате выходит кривая поверхность теплораспределительной крышки. Интенсивное термоциклирование может привести к повреждению припоя , напряжение при растяжении внутри припоя приведет к образованию пустот. Раз за разом, примерно за 200-300 термических циклов, это неизбежно приведет к образованию трещин в припое по углам на припое чипа кремния, это не избежно приведет к образованию трещин на сомом кремнии что выведет процессор из строя. Появление пустот и трещин в основном зависит от площади припоя на кристалле кремния, то есть чем больше площадь кремния тем лучше. Малый размер кристалла, ниже 130 мм ² , а это старые знакомые — lvy Bridge, Haswell, Skylake будут способствовать образованию пустот а затем и трещин, при чем это не избежно. Тем не менее процессоры среднего и большого размера кристалла, выше 270 мм ² а это Haswell-E socket 2011 не показывают значительного образования трещин при термоциклировании.

Вот и ответ на главный вопрос, для чего инженеры intel не применяют припой а используют термопасту. Отсюда тонкая и кривая теплораспределительная крышка процессора, должна играть, компенсируя сжатие. Так что я не вижу другого объяснения, более чем логического. С другой стороны по чему такая плохая эта термопаста.

Статья написана GRU64rus.

IHS процессоров

Известно, что способ теплового контакта IHS (теплораспределительной крышки) с кристаллом процессора оказывает существенное влияние на тепловой режим процессора и его надежность в режиме больших тепловых нагрузок. Подтверждение тому, множество публикаций на тему ее снятия. Обычно при непосредственном контакте с кулером кристалла процессора можно выиграть до 5°С. Публикую данный материал здесь потому что тип интерфейса IHS — кристалл существенно влияет на тепловой режим процессора и его важно учитывать в тепловых расчетах.

IHS (integrated heatsink) — интегрированная теплораспределяющая пластина (крышка)

— предназначена, вопреки мнению некоторых знатоков, для равномерного распределения тепла по поверхности кристалла. Потому что области кристалла где находятся ядра имеют тепловыделение многократно превосходящее тепловыделение остальных участков процессора, а теплопроводность структуры процессора много хуже теплопроводности медной пластины. Тем более в пределах 10 толщин IHS пластины.

— Sollder in lid — припой (паста), Scalant — уплотнитель, IHS — теплораспределяющая пластина, Silicon die — кремниевый кристалл, substrate — подложка (контактная панель процессора).

Существует два вида применяемого термоинтерфейса:

1. теплопроводящая паста,
2. припой

Процессоры где в качестве термоинтерфейса применяется припой предназначены для тяжелого теплового режима работы.

ПаянныеНа теплопроводящей пастеHyperthreading /Single Cores(S-775) Pentium 4 HT (S-775) Celeron D (S-478) Celeron D (S-478) Pentium 4 HT (Prescott Core) (S-478) Pentium 4 HT (Northwood «C» Core)(S-478) Pentium 4 HT (Northwood «A» and «B» Core) (S-478) Celeron (S-775) Celeron Celeron 420 Celeron 430 Celeron 440 AMD Athlon 64 3200+ AMD Athlon 64 3700+ AMD Athlon 64 3800+ (Venice core)Dual Cores(S-775) Pentium 4 Extreme Edition (S-775) Pentium D Pentium Dual Core E5200* Pentium Dual Core E5300* Pentium Dual Core E5400* Core 2 Duo E4700* Core 2 Duo E6300 (B2 stepping) Core 2 Duo E6320 Core 2 Duo E6400 (B2 stepping) Core 2 Duo E6420 Core 2 Duo E6540 Core 2 Duo E6550 Core 2 Duo E6600 Core 2 Duo E6700 Core 2 Duo E6750 Core 2 Duo E6850 Core 2 Duo Extreme X6800 Core 2 Duo E8190 Core 2 Duo E8200 Core 2 Duo E8300 Core 2 Duo E8400 Core 2 Duo E8500 Core 2 Duo E8600 Xeon 3040 (L2 stepping) Xeon 3040 (B2 stepping) Xeon 3050 (L2 stepping) Xeon 3040 (B2 stepping) Xeon 3060 Xeon 3070 Xeon L3110 Xeon E3110 Xeon E3120 Xeon E5502 AMD Athlon X2 6000+ E6300 E6600 Q66000AMD X2 5000+ BE (Brisbane core) Celeron Dual Core E1200 Celeron Dual Core E1400 Pentium Dual Core E2140 Pentium Dual Core E2160 Pentium Dual Core E2180 Pentium Dual Core E2200 Pentium Dual Core E2210 Pentium Dual Core E2220 Pentium Dual Core E6300 Core 2 Duo E4300 Core 2 Duo E4400 Core 2 Duo E4500 Core 2 Duo E4600 Core 2 Duo E6300 (L2 stepping) Core 2 Duo E6400 (L2 stepping) Core 2 Duo E7200 Core 2 Duo E7300 Core 2 Duo E7400 Core 2 Duo E7500 Core 2 Duo E7600Tri CoresAMD Phenom X3Quad CoresCore 2 Quad Q6600 Core 2 Quad Q6700 Core 2 Quad Extreme QX6700 Core 2 Quad Extreme QX6800 Core 2 Quad Extreme QX6850 Core 2 Quad Q8200 Core 2 Quad Q8300 Core 2 Quad Q8400 Core 2 Quad Q8400S Core 2 Quad Q9300 Core 2 Quad Q9400 Core 2 Quad Q9400S Core 2 Quad Q9450 Core 2 Quad Q9550 Core 2 Quad Q9550S Core 2 Quad Q9650 Core 2 Quad Extreme QX9650 Core 2 Quad Extreme QX9770 Core 2 Quad Extreme QX9775 Xeon X3210 Xeon X3220 Xeon X3230 Xeon X3320 Xeon X3350 Xeon X3360 Xeon L3360 Xeon X3370 Core i5 750 Core i7 860 Core i7 870 Core i7 920 Core i7 940 Core i7 950 Core i7 Extreme Edition 965 Core i7 Extreme Edition 975 AMD Phenom X4*

Как Вы понимаете, список не полный и он пополняется только практической проверкой при удалении крышек. Поэтому если Вы имеете дополнительную информацию присылайте ее автору.

В документации на процессоры, к сожалению, производители не указывается вид термоинтерфейса.

И это они делают правильно.

Я бы, зная об этом, конечно выбрал бы паянный процессор.

А это надо производителю?

Это сейчас называется маркетинг:

1. Им надо втюхать потребителю, то что им подешевле обходится в производстве.
2. А тем более, что процессоры с термоинтерфейсом в виде пасты имеют ограниченный срок службы, а это заставит потребителя своевременно менять процессор.
3. Меняя который потребитель подумает — «а не лучше ли поменять и плату на более современную, Для чего нужна тeплораспределительная пластина (IHS) процессора? Назначение, принцип работы, достоинства и недостатки»

Особенности пайки

Самая важная особенность, которую нужно отметить, заключается в том, что важно отметить условия и возможность полноценного повторения. К примеру, можно использовать трафареты от китайских производителей. Особенность китайских моделей заключается в том, что здесь 2-3 или большее количество чипов могут быть собраны по определенной большой заготовке.

Благодаря этой особенности трафарет будет нагреваться и изгибаться. А из-за большого размера панели трафарет будет забирать при нагреве очень много тепла (или, иными словами, появляется эффект радиатора). Все это приводит к том, что человеку необходимо потратить больше времени на прогревание чипа, что отрицательно сказывается на работоспособности чипа в целом.

Продукция, создаваемая с применением лазерной резки, отличается повышенной точностью (отклонение не больше 5 мкм), что позволяет более практично использовать любые создаваемые конструкции по их прямому назначению.

Сайт Виктора Королева

Припаиваем ноги процессору

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение. Или как знахарь паяльщик лечит безногих инвалидов…

Месяц назад я стал обладателем нового железа, хотя вряд ли его можно назвать новым, во первых оно бывшее в употреблении, а во вторых оно основано на практически прекратившей свою жизнь платформе, то бишь 939… Конечно, хотелось Core2 но, реально посмотрев на свои средства и возможности, я пришел к такому выбору.

MSI K8N Neo4-F Socket 939, nForce4 б.у. Athlon64 3700+ 2.2GHz 128 L1, 1024 L2, E6 San Diego (половинка Toledo)

По своей глупости и безалаберности я, не заметив того, что немного погнул процессору ноги (при его шлифовке), приложив немалые усилия, воткнул его в сокет, и тем самым, загнул их окончательно. Пытаясь разогнуть обратно, отломал одну под корень… Встал вопрос о ремонте процессора. Нести на радио рынок, когда на улице дождь и отдавать три кати деревянных, мне не хотелось, поэтому решил все делать сам. Отмазка: автор не несет ответственности за все сделанное вами в состоянии аффекта после прочтения данной записи, и все написанное ниже ни в коем случае не является призывом к совершению каких либо действий, заведомо ведущих к порче частной собственности.

Для начала готовим инструмент.

Так как будем паять ноги очень маленького размера, то и паяльник лучше сделать таким же маленьким. Я не стал стачивать жало паяльника, а просто надел на него кусок согнутой медной шины и заточил ее.

2. Теперь думаем чем будем эти самые ножки держать…

Намучившись с разнообразными пинцетами, я наконец-то понял – так дело не пойдет. Не долго думая, вытащил из первой попавшейся ручки стержень, срезал канцелярским ножом конец вместе с шариком, и получился такой незаурядный, простой, доступный, а самое главное до ужаса удобный инструмент.

Теперь паяльником просто прогреваем шляпку ноги и отпаиваем, а затем так же припаиваем. Главное не давать флюсу (я использовал жидкий, какой-то ЗИЛ) касаться стержня, иначе расчленить стержень и ножку безболезненно для последней будет очень сложно, припаяется намертво!

3. Донор для пересадки ног.

У меня был умерший Sempron 3000, поэтому было очень легко снять ногу с него и припаять новому ее обладателю.

Вот собственно сама нога

Но кроме этого мной был опробован способ изготовления ног из медной проволоки. Припаивается так же легко, но возможно держится не так крепко. Хотя 3 вставления вытаскивания из сокета они выдержали, как собственно и испытательный пуск системы.

На подготовку и непосредственно пайку у меня ушло 2 часа, вместе с мучениями пинцетом, и пробами самодельных ножек…

А вот результат:

Для того чтоб припаять отломанную, пришлось сначала отпаять крайнюю…

Остается добавить, что для совершения данного обряда «ногоприрощения» необходимо:

1. Обладать более менее высоким скиллом паяния 2. Иметь более менее прямые руки 3. Иметь более менее трезвую голову

Если отсутствует какой либо из этих пунктов, лучше сдать проц. в ремонт…

Дать дельный совет можно тут: https://forums.overclockers.ru/viewtopic.php?p=3681164#3681164

Начислено вознаграждение Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.