Ик паяльная станция своими руками. Создание инфракрасной паяльной станции в домашних условиях Инфракрасный паяльник для микросхем своими руками

С появлением микропроцессорной техники возникла необходимость при ремонте сталкиваться с перепайкой BGA микросхем, что привычными методами сделать или крайне сложно, или, чаще, невозможно. Даже фен не всегда поможет справиться с поставленной задачей. Именно поэтому изготовление инфракрасной паяльной станции своими руками будет наилучшей альтернативой и порой единственным актуальным решением.

ИК станция для пайки

Микросхемы BGA (Ball grid array) присутствуют практически в любом современном «умном» устройстве: телефоны, компьютеры, телевизоры, принтеры. В процессе эксплуатации они могут выходить из строя, что требует замены неисправной части на новую. Но такую процедуру осуществить без специального оборудования - задача крайне сложная.

Проблема заключается в том, что производители изобретают всё новые и новые методы для монтажа электронных деталей. И обычный паяльник или фен не всегда смогут помочь в решении такой проблемы. Ведь контактные шарики способствуют высокой теплоотдаче на плату, в результате чего они не могут расплавиться.

Если пытаться поднять температуру до необходимой для их плавления, то появляется риск перегреть микросхему, в результате чего она может выйти из строя. Вследствие перегрева не исключена и возможность повреждения близлежащих деталей. Особенно если их корпусы выполнены из легкоплавких материалов.

Отличным решением может выступить инфракрасная станция. Она позволяет производить замену даже крупных GPU контроллеров. А с широким распространением компьютеров, ноутбуков, материнских плат, видеоадаптеров и другой сложной техники такие работы при ремонте выполняются достаточно часто. И если раньше для замены крупных микросхем можно было использовать термовоздушные станции, то сейчас, когда производители используют бесконтактные методы пайки, единственным оптимальным решением является ИК станция, способная качественно справиться с заменой любой микропроцессорной детали.

Принцип действия

Основными проблемами при перепайке микросхем и контроллеров является или недогрев до температуры плавления контактного материала, или перегрев заменяемой части и её выход из строя.

Так пришла идея нагревать до температуры 100–150 градусов Цельсия непосредственно саму плату. После чего уже производить пайку деталей. Это позволяет качественно снизить теплоотток на текстолит платы, что даёт возможность понижать и «верхние» температуры. А значит, и сама деталь будет меньше подвергаться перегреву.

Производить нагрев можно и термофеном, но использовать инфракрасный паяльник предпочтительнее. Ведь ИК станция позволяет делать это контролируемо, то есть следить и поддерживать «низ» и «верх» температур или использовать рекомендуемый термопрофиль пайки.

Конструктивные особенности

Любые ИК паяльные станции состоят из трёх основных частей. Выглядит всё довольно просто, хотя каждая из них является самостоятельным сложным механизмом, объединённым с общей установкой. Так, любая станция включает в себя:

В зависимости от модели и производителя, ИК паяльники могут отличаться лишь техническими характеристиками. Одни делают работу проще, другие, напротив, требуют от пользователя дополнительного внимания и трудозатрат.

Влияет это и на стоимость оборудования. Поэтому, выбирая станцию требуется обращать внимание не только на цену, но и на технические данные, чтобы не переплачивать за ненужный функционал.

Изготовление своими руками

Производствам или лицам, занимающимся ремонтом сложной электронной аппаратуры, вполне можно приобрести для работы заводскую паяльную ИК станцию. А вот любителям или тем, кому такая установка нужна изредка, можно создать её своими руками. И в пользу этого, в первую очередь, говорит цена. Даже приборы китайского производства имеют стоимость от 1 тыс. долларов. Качественные же модели европейских марок от 2 тыс. долларов и выше. Позволить себе столь дорогое удовольствие сможет далеко не каждый.

Касательно самодельной инфракрасной паяльной станции всё выглядит значительно оптимистичнее. По средним расчётам, такой аналог ИК паяльника обойдётся в пределах 80 долларов, что выглядит несравнимо более приемлемо цен на заводские приборы.

Любой человек, занимающийся ремонтом сложной техники, имеет достаточно знаний, чтобы придумать и сконструировать ИК станцию самостоятельно. В связи с этим электронная часть, внешний вид и некоторые возможности могут отличаться. А вот основная конструкция останется в любой модели одинаковой . Именно поэтому не существует единой идеальной схемы, которую можно привести в качестве единственного верного решения. Но для того чтобы понять сам принцип создания ИК паяльника, подойдёт любая модель. А уже основываясь на личных знаниях и предпочтениях, можно убрать или добавить те или иные части.

Первый вариант

В этом варианте будет использоваться двухканальный контроллер.

1. Первый канал задействован для платинового терморезистора Pt 100 или обычной термопары.
2. Второй канал будет использоваться исключительно термопарой. Каналы контроллера могут работать в автоматическом или ручном режиме.

Температура может поддерживаться в пределах от 10 до 255 градусов Цельсия. Термопары или датчик и термопара посредством обратной связи контролируют эти параметры в автоматическом режиме. В ручном режиме будет регулироваться мощность на каждом из каналов от 0 до 99 процентов.

Память контроллера будет содержать 14 различных термопрофилей для работы с BGA микросхемами. Семь из них предназначены для свинецсодержащих сплавов, а другие семь для припоя без содержания свинца.

В случае со слабыми нагревателями верхний может не успевать за термопрофилем. В таком случае контроллер поставит выполнение на паузу и будет дожидаться, пока наберётся необходимая температура.

Также контроллер очень удобно выполняет термопрофиль на основании температуры преднагрева всей платы. Если по той или иной причине снять чип не получилось, то можно повторно запустить его с более высокой температурой.

Силовой блок, изображённый на схеме, имеет транзисторный ключ для верхнего нагрева и семисторный для нижнего. Хотя приемлемо использование двух транзисторных или симисторных. Участок, отмеченный красным пунктиром, можно не собирать, если рассчитывается использование двух термопар.

Для теплоотвода от ключей можно использовать радиатор с активным охлаждением от любой техники. Главное, чтобы он подходил под конструкцию моделируемого аппарата. Нижний нагреватель будет состоять из девяти галогеновых ламп номиналом 1500 Вт 220–240в R7S 254 мм. Должно получиться три части по три лампы, соединённых последовательно. Провода лучше использовать высокотемпературные силиконовые на 220 вольт.

Корпус собирается из стеклотекстолита или любого другого похожего материала и усиливается алюминиевыми уголками. А также придётся купить и вакуумный насос. Для более эстетичного внешнего вида можно использовать ИК стекло на нижней панели. Но здесь существует сразу несколько отрицательных моментов: слишком медленный нагрев и остывание, и вся конструкция в процессе работы чересчур нагревается. Хотя наличие стекла не только делает прибор более привлекательным, но и удобным, так как платы можно класть прямо на него.

Стойка выполняется из алюминиевого швеллера для стоек. Подготавливаются вакуумный пинцет и трубка для него, термопара и стойки. Верхний нагреватель рекомендуется сделать из ELSTEIN SHTS/100 800W. Когда все детали готовы, их нужно разместить в корпусе и можно переходить к настройке.

Нагреватели устанавливаются на расстоянии 5–6 сантиметров от плат. Если температурный выбег больше трёх градусов, то стоит понизить мощность верхнего нагревателя.

Второе решение

В качестве второго варианта можно предложить конструкцию, отличающуюся лишь внутренними составляющими. И сначала стоит подготовить все необходимые комплектующие:

Главное, сразу определиться с видом корпуса. Естественно, что много зависит от наличия подходящего материала. Поэтому именно от этого стоит отталкиваться, когда приходит время располагать комплектующие внутри.

Теперь нужно взять галогеновый обогреватель. Возможно получится найти уже старый, так как его необходимо разобрать и извлечь рефлекторы и галогеновые лампы. Сами лампы разбирать не нужно. Теперь всё это потребуется поместить в заготовленный корпус. Используется всего 4 лампы по 450 ватт, подключаемых параллельно. Провода предпочтительнее использовать те же, которыми они уже были подключены. Если по каким-либо причинам использовать их возможности нет, то придётся купить дополнительно термостойкие.

Сразу придётся подумать и о системе удержания плат. Конкретные рекомендации давать здесь сложно. Ведь всё зависит от корпуса. Но хорошо бы использовать алюминиевые профили, в которые не жёстко вставляются болты с гайками таким образом, чтобы впоследствии можно было ими зажимать печатные платы и, одновременно, была возможность регулировки под разные размеры плат. Термопары, контролирующие заданную температурную схему в нижнем нагревателе, лучше пропустить в душевой шланг. Это даст подвижность и удобство в процессе работы и монтажа.

Роль верхнего нагревателя будет исполнять керамический мощностью 450 ватт. Такой можно купить как запчасть для ИК станций. Здесь же нужно позаботиться и о корпусе, так как именно он обеспечивает правильный и качественный нагрев. Сделать его можно из тонкого листового железа, согнув нужным образом, в зависимости от формы и размера нагревателя.

Теперь нужно подумать и о креплении верхнего нагревателя. Так как он должен быть подвижным, причём перемещаться не только вверх или вниз, но и под разными углами. Отлично подойдёт стойка от настольной лампы. Закрепить её можно любым удобным способом.

Пришло время заняться контроллером. Для него тоже понадобиться отдельный корпус. Если есть подходящий уже готовый, то можно использовать его. В противном случае придётся его сделать самостоятельно всё из того же тонкого металла. Твердотельные реле нуждаются в охлаждении, поэтому стоит установить к ним радиатор и вентилятор.

Так как автоматической настройки в контроллере нет, то значения P, I и D придётся вводить вручную. Здесь есть четыре профиля, для каждого отдельно устанавливается количество шагов, скорость роста температуры, время и шаг ожидания, нижний порог, целевая температура и значения для верхнего и нижнего нагревателя.

Паяльник — это хорошо. Хорошо для DIP деталей, ну для тех для которых сверлят отверстия в платах. Спору нет, паяльник отлично подходит и для SMD компонентов, но для этого необходимо иметь черный пояс в этой дисциплине. А вот как, раз в год выпаять, а потом запаять многоногую smd микросхему без особых навыков и оборудования? Ну тогда читаем дальше…

Меня всегда пугали многоногие smd микросхемы, в части монтажа, а не внешностью, в корпусах QFP и разные SO-шки, про BGA даже заикаться не буду. Был однажды неудачный опыт, делал , и заложил в конструкцию контроллер в корпусе SO. В процессе отладки что-то пошло не так и мне пришлось его перепаивать. Первый демонтаж плата и контроллер условно выдержали, а вот после второго, плата и контроллер отправились в мусорный бак. В итоге поставил микросхему в dip корпусе и мои мучения закончились. Это все к чему, шарясь как-то по интернету, случайно попал в ветку форума forum.easyelectronics.ru , откуда перенаправился на radiokot.ru . После посещения радиокота я и загорелся идеей сделать «Прикуяльник» (® by radiokot.ru). Именно прикуриватель в качестве паяльника и будет источником инфракрасного излучения.

Пошарив по закромам отыскал трансформатор от бесперебойника, который мне когда-то подарил . Этот трансформатор работал в режиме преобразования 12 — 220 В, значит заработает и в обратном направлении.

Источник питания есть! А это уже пол дела. Осталось найти прикуриватель, и он был найден на местном рынке за символическую цену. Прикуриватель подойдет любой, хоть от мерседеса, хоть от жигуля. К стати, у запорожца, этого очень важного девайса, не было. Подключать излучатель к трансформатору решил через ШИМ регулятор, как в дальнейшем оказалось не зря. Выбрал схему на распространенной микросхеме NE555. По опыту других пользователей, она менее капризна.

Микросхема NE555, в соответствии с даташитом, питается постоянным напряжением в диапазоне 4,5 — 16В. Так же можно рассмотреть чуть боле капризную схему на UC384x. они довольно часто встречаются в импульсных блоках питания, компьютерные не исключение.

Печатную плату решил не делать, слишком большая честь для трех проводов. Собрал на макетке.

Пришлось придумывать выпрямитель. Диодный мост собран на диодах шотки, которые были выдраны из сгоревшего компьютерного блока питания. На всякий случай все усажено на радиатор, мы ж не китайцы, нам не жалко. Сгоревшие компьютерные блоки питания просто превосходная вещь, источник корпусов и всяких деталюх с радиаторами!

Подключив диодный мост к трансформатору и замерив напряжение холостого хода, немного взгрустнул. Нет, напряжение было достаточное, даже чересчур, 20 В на холостом ходу. Многовато для моего ШИМ регулятора. Знал бы, то сделал плату на UC3842, она начинает работать от 16В и выше. Но погрустил и ладно, добавил к питанию КРЕН8А (КР142ЕН8А, аналог L7808….), на нее же повесил и вентилятор охлаждения.

У меня как всегда, минимум, а хочется максимум. Сделаю я наверно и нижний подогрев. Обойдемся бютжетнинько. Нижний подогрев будет на основе галогенного прожектора, станция ведь не для постоянного использования. Для галогенной лампы нужен регулятор мощности, иначе сожжет все на свете, проверено. Думал заказать в китае тиристорный регулятор, но время. Купить в городе, значит переплатить. По случаю зашел в местный магазинчик промтоваров, там есть много всякой ерунды. И заметил на прилавке осветительный димер. На фоне всех остальных электроинсталяционных изделий, он отличался невзрачным внешним видом и ценой. Заявленная мощность 600 Вт меня порадовала. Купил его всего за 35 грн (1,3$).

Посмотрим, что у него внутри. Не замысловатая конструкция, собранная на двух тиристорах BT136 соединенных параллельно. Отличное резервирование и запас по мощности. Но почему с такими деталями и всего 600 Вт?

А вот теперь видно почему. Вот смотрю и думаю… Потенциал в нашей стране огромный, а вот руки…

Пришлось помыть плату, все заново пропаять, усилить силовые дорожки и поменять радиатор. На фотографии ниже, видно под оранжевым тумблером, просматривается новый радиатор димера.

Парочка фоток, как оно у меня разместилось в корпусе от компьютерного БП. Радиаторов конечно многовато, они несколько избыточны.

Лицевая панель из куска поликарбоната (оргстекло). Белую защитную пленку не снимал, это придает ощущение, что оргстекло белое, а не прозрачное. И потрошки не просвечиваются.

А на этой фотке уже установлена верхняя крышка. И тут впервые появляется сам виновник торжества — собственно прикуяльник.

Прикуриватель прикручен к сгоревшему паяльнику. Все внутренности паяльника демонтированы.

Крепления нагревательного элемента к основанию выполнено через отожженную стальную проволоку, намотанной в виде спирали для улучшения теплоотвода. Раскаляется он будь здоров и плавит изоляцию провода, так что прикручивать медный провод на прямую не стоит даже и пытаться.

Нижний подогрев. Здесь особых конструктивных особенностей нет. В качестве нижнего подогрева выступает галогенный прожектор. Устойчивости прожектору придают три ножки с резиновым основанием. Как известно конструкция на трех ножках никогда не будет качаться, доказано в геометрии — через три точки можно построить только одну плоскость. Стекло сверху накрыто медной фольгой с остатками текстолита, когда-то отодранной от старой платы. Установлена лампа мощностью 150 Вт.

Вот и паяльная станция готова.

Немного поигравшись могу сделать несколько заключений. Самим прикуяльником можно выпаивать микросхемы и без нижнего подогрева, но это занимает немного больше времени. Демонтировать мелкие smd-шки (резисторы, конденсаторы) можно при помощи только нижнего подогрева, в том случае если сама плата больше вам не нужна. Дело в том, что здесь отсутствует термостабилизация и со временем плата начинает перегреваться, демонтаж большого количества элементов может растянутся на долго. Во время экспериментов, при демонтаже на нижнем подогреве, я перегрел плату, и она вздулась. Это вздутие сопровождалось хорошим хлопком, я как говорится, чуть не «письнул» от неожиданности. Для разовых работ лучше не придумаешь.

И для того, чтобы показать, что это все-таки работает, предлагаю посмотреть следующие фотографии.

В качестве жертвы была выбрана старючая материнка. На ней выбран чип, вокруг которого расположено большое количество мелких компонентов, что затрудняет работу привычным инструментом. На следующей фотографии чип отпаян.

Хочу подвести черту под выше сказанным. Прикуяльник имеет право быть. Он конечно не претендует на звание «професиональный» инструмент, но со своими задачами справляется. И с сегодняшней архитектурой плат, любителю, он просто необходим.

Внимание! Данная статья предназначена только для ознакомительных целей, и к сборке не рекомендуется! Там же скачиваем обновленные версии прошивок для станции первой версии.

При ремонте материнских плат связанных с заменой BGA компонентов не обойтись без инфракрасной паяльной станции! Китайские станции качеством не блещут, а качественные ИК паяльные станции стоят не дешево. Выход - собрать самому паяльную станцию. Стоимость компонентов для сборки станции не превышает 10 тысяч рублей. Не смотря на дешевизну - самодельная ИК станция надежно себя зарекомендовала в ремонте материнских плат. Контроллер обеспечивает точное соблюдение термопрофиля, что является важным фактором во время замены BGA компонентов.

Описание конструкции

Станция состоит из контроллера управления, нижнего подогрева, верхнего нагревателя.

Контроллер двухканальный. К первому каналу можно подключить термопару или платиновый терморезистор. Ко второму каналу подключается только термопара. 2 канала имеют автоматический и ручной режим работы. Автоматический режим работы обеспечивает поддержание температуры 10-255 градусов через обратную связь с термопар или платинового терморезистора (в первом канале). В ручном режиме мощность в каждом канале можно регулировать в диапазоне 0-99%. В памяти контроллера заложено 14 термопрофилей для пайки BGA. 7 для свинецсодержащего припоя и 7 для безсвинцового припоя. Термопрофили указаны ниже. При желании их можно изменить (исходник в архиве).

Для безсвинцового припоя максимальная температура термопрофиля: - 8 термопрофиль - 225C о, 9 - 230C о, 10 - 235C о, 11 - 240C о, 12 - 245C о, 13 - 250C о, 14 - 255C о

Если верхний нагреватель, не успевает прогревать согласно термопрофилю, то контроллер становится на паузу и ждет пока не будет достигнута нужная температура. Это сделано для того, чтобы адаптировать контроллер для слабых нагревателей, которые прогревают долго и не успевают за термопрофилем.

Контроллер так же можно использовать в качестве регулятора температуры, например, во время сушки или запекания паяльной маски (в духовке, в которую помещена термопара), или прочих случаях, где требуется точное поддержание температуры.

Принципиальная схема контроллера

Далее приведены фото контроллера. Блок питания использовал от ноутбука, которое переделал на напряжение 12 Вольт. В качестве гнезда для термопар использовал usb гнездо с кусочками текстолита, которое припаяно к передней панели, смотрим фото. Охлаждение активное, я использовал термотрубку от охлаждения ноутбука. К термотрубке феном припаял медную пластину, на которую будут установлены элементы для охлаждения. Можно использовать охлаждение процессора от системного блока, но тогда габариты устройства увеличатся.

Нижний подогрев изготовлен из галогенового обогревателя на 3 лампы общей мощностью 1,2 кВт. Из обогревателя демонтируется основание со светоотражателем и защитной сеткой. Корпус для нижнего подогрева я изготовил из изогнутой листовой жести(конька оцинкованного), который вырезал ножницами по металлу. Так же в конструкцию добавлен порог алюминиевый(стык), для удобства установки на него швеллера алюминиевого. На швеллер через стойки устанавливается материнская плата. Нижний подогрев можно подключить к контроллеру. Я поступил другим способом чтобы не заморачиваться с второй термопарой, - в нижний подогрев встроил диммер на 600 Вт, только на симистор установил радиатор побольше. С регулировкой 1,2 кВт он прекрасно справляется. Примерное положение диммера я запомнил, при котором стабильно держится требуемая температура на материнской плате. Для небольших плат (например видеокарт) можно использовать канцелярские прищепки, прикрученные к DIN рейке. Пример на фото.

Качественный верхний нагреватель из подручных средств, к сожалению невозможно изготовить. Я проводил эксперименты с галогеновыми лампами, кварцевыми трубками со спиралями, так же экспериментировал с ИК лампой. Но лучше всего себя зарекомендовал керамический нагреватель фирмы ELSTEIN серии SHTS (с позолотой). Подобные нагреватели используются в дорогих ИК станциях. Я использовал ELSTEIN SHTS/100 800W и ELSTEIN SHTS/4 300W. Нагреватели греют очень хорошо, и практически не светят. Спектр ИК излучения очень подходит для замены BGA компонентов. Нагреватели из Китая не рекомендую, хоть внешне они и похожи на ELSTEIN.

Тепловое пятно нагревателя ELSTEIN SHTS/100 800W. Размер нагревателя 96х96 мм. Расстояние между нагревателем и платой 5см.

Круг El1 диаметр 4 см (перепад температуры 5 градусов от центра до края окружности).

Круг El2 диаметр 5 см (перепад температуры 10 градусов от центра до края окружности).

Круг El3 диаметр 6 см (перепад температуры 15 градусов от центра до края окружности).

Тепловое пятно нагревателя ELSTEIN SHTS/4 300W. Размер нагревателя 60х60 мм. Расстояние между нагревателем и платой 5см.

Круг El1 диаметр 2,5 см (перепад температуры 5 градусов от центра до края окружности). Подходит для большинства чипов.

Круг El2 диаметр 3 см (перепад температуры 10 градусов от центра до края окружности).

Круг El3 диаметр 4,5 см (перепад температуры 15 градусов от центра до края окружности).

Как видим оба нагревателя подходят для замены BGA компонентов. Но ELSTEIN SHTS/100 800W имеет преимущество перед вторым нагревателем. Это гораздо большее равномерное тепловое пятно. Круг диаметром 4 см у которого перепад температуры не более 5C о. Практически показатель как у Термопро с 3D отражателем (у которого однородное квадратное тепловое пятно 4х4см с перепадом температуры не более 5C о)

Ниже приведены фото конструкции верхнего нагревателя и станины, которую изготовил из того что было в строительном магазине. Конструкция получилась удачной, регулируется по высоте и длине, нагреватель крутится вокруг своей оси, его легко установить над любым участком платы.

Термопара крепится к штативу. Ее легко навести на любой участок платы. Конструкция на фото. Гибкий металлический рукав я использовал от USB фонарика из магазина, где все по одной цене. В металлический рукав я вставил термопару без внешней изоляции при помощи проволоки.

Настройка контроллера

Для настройки канала верхней термопары R3 устанавливаем в среднее положение. Помещаем термопару контроллера и термопару образцового термометра на нагретую поверхность (например галогеновую лампу, где обе термопары соединены вместе и на них нанесена термопаста), и калибруем резистором R6 показания максимального значения температуры 250 градусов. Потом даем лампе остыть до комнатной температуры и калибруем резистором R3 нижнее показание температуры. Данную процедуру нужно повторить несколько раз, пока не будет совпадать нижнее и максимальное значение температур с реальными показателями. Такую же процедуру повторяем с каналом нижней термопары при помощи резисторов R11 и R14 соответственно. Аналогично калибруется первый канал при использовании платинового терморезистора резисторами R21 и R27 соответственно. Если не планируется использовать платиновый терморезистор, то ОУ U2 можно из схемы исключить со всей обвязкой, а 11 вывод микроконтроллера подключить на +5В.

Управление контроллером и изменение параметров, а так же процесс съема и установки чипа показан на видео. Верхний нагреватель я устанавливаю на высоте 5-6 см от поверхности платы. Если в момент исполнения термопрофиля происходит выбег температуры от заданного значения больше чем на 3 градуса - понижаем мощность верхнего нагревателя. Выбег на несколько градусов в конце термопрофиля(после отключения верхнего нагревателя) не страшен. Это сказывается инерционность керамики. Поэтому я выбираю нужный термопрофиль на 5 градусов меньше, чем мне надо. На данном нижнем подогреве температура немного отличается над зоной нагревателя, и в теневой зоне (разница около 10-15 градусов). Поэтому плату на нижний нагреватель желательно установить так, чтобы чип находился над зоной нагревателя (но это не критично). Перед съемом чипа при помощи зонда нужно убедиться(аккуратным нажатием на каждый угол чипа) что шары под чипом поплыли. При монтаже используем только качественный флюс, иначе неправильный выбор флюса может все испортить. Так же при монтаже чипа BGA рекомендуется накрыть кристалл прямоугольником из алюминиевой фольги с размером стороны равной примерно ½ от стороны BGA, чтобы снизить температуру в центре, которая всегда выше, чем температура около термопары (смотрим выше фото тепловых пятен ИК нагревателей ELSTEIN).

Внешний вентилятор программно не задействован, хотя на схеме он и указан. В дальнейшем планируется в исходник внести изменения и задействовать внешний вентилятор.

Ниже вы можете скачать архив с печатной платой в формате LAY, исходным кодом, прошивкой

Список радиоэлементов

Инфракрасная паяльная станция - это устройство для пайки микросхем в корпусе BGA. Если прочитанное ничего вам не говорит, вряд-ли вам стоит заходить под кат. Там ардуины, графики, программирование, амперметры, саморезы и синяя изолента.

Предыстория первая.

Моя профессиональная деятельность некоторым образом связана с электроникой. Поэтому родственники и знакомые постоянно норовят притащить мне какую-нибудь не совсем исправную электронную штуку со словами «ну посмотри, может тут какой проводок отпаялся».
В тот раз такой штукой оказался 17" ноутбук eMachines G630. При нажатии на кнопку питания зажигался индикатор, шумел вентилятор, но дисплей был безжизненным, не было звуковых сигналов и активности жесткого диска. Вскрытие показало, что ноутбук построен на платформе AMD, а северный мост имеет маркировку 216-0752001. Беглое гугление показало, что у чипа весьма плохая репутация в части надежности, зато проблемы с ним легко диагностируются. Нужно лишь его прогреть. Выставил на паяльном фене 400 градусов и подул на чип секунд 20. Ноутбук запустился и показал картинку.
Диагноз поставлен. Казалось бы, дело за малым - перепаять чип. Вот тут меня ожидало первое откровение. После обзвона сервис-центров выяснилось, что минимальная сумма, за которую в Минске можно поменять чип - 80 долларов. 40 долларов за чип и 40 долларов за работу. Для ноутбука общей стоимостью хорошо если 150 долларов это было весьма не бюджетно. Дружественный сервис по знакомству предложил перепаять чип по себестоимости - за 20 долларов. Итоговый ценник снизился до 60 долларов. Верхняя граница психологически приемлемой цены. Чип был благополучно перепаян, ноутбук собран, отдан и я о нем благополучно забыл.

Предыстория вторая.

Через несколько месяцев после окончания первой предыстории мне позвонил родственник со словами «Ты же любишь разную электронику. Забери ноутбук на запчасти. Бесплатно. Или просто выкину в мусор. Сказали, вроде материнская плата. Отвал чипа. Ремонтировать экономически нецелесообразно». Так я стал обладателем ноутбука Lenovo G555 без жесткого диска, но со всем остальным, включая блок питания. Включение показало те же симптомы, что и в первой предыстории: кулер крутится, лампочки горят, больше признаков жизни нет. Вскрытие показало старого знакомого 216-0752001 со следами манипуляций.

После прогрева чипа ноутбук запустился как ни в чем не бывало, как и в первом случае.

Размышления.

Так я оказался владельцем ноутбука с неисправным северным мостом. Разобрать его на запчасти или попытаться починить? Если второе, то снова паять его на стороне, пусть даже за 60 долларов, а не за 80? Или купить собственную инфракрасную паяльную станцию? А может собрать своими руками? Хватит ли у меня сил и знаний?
После некоторых размышлений было решено попытаться починить, причем починить самостоятельно. Даже если попытка не увенчается успехом, разобрать его на запчасти это никак не помешает. А инфракрасная станция будет полезным подспорьем во многих работах, требующих предварительного подогрева.

Техническое задание.

Изучив цены на готовые промышленные инфракрасные станции (от $1000 до плюс бесконечности), перелопатив кучу топиков на профильных форумах и роликов на Youtube, окончательно сформировал техническое задание:

1. Буду изготавливать собственную паяльную станцию.

2. Бюджет конструкции - не более 80 долларов (две перепайки в сервис-центре без материалов).

Дополнительно в оффлайне были куплены:

Линейные галогенные лампы R7S J254 1500W - 9 шт.

Линейные галогенные лампы R7S J118 500W- 3 шт.

Патроны R7S - 12 шт.

Из хлама в гараже на свет божий были извлечены:

Док-станция от какого-то допотопного лэптопа Compaq - 1 шт.

Штатив от советского фотоувеличителя - 1 шт.

В домашнем складе были найдены силовые и сигнальные провода, Arduino Nano, клемники WAGO.

Нижний нагреватель.

Вооружаемся болгаркой и отрезаем от док-станции все лишнее.

К листу металла прикрепляем патроны.

Соединяем патроны по три штуки последовательно, получившиеся три цепочки в параллель. Устанавливаем лампы, прячем в корпус.

Поиск материала для отражателя занял продолжительное время. Использовать фольгу не хотелось из-за подозрения в ее недолговечности. Использовать более толстый листовой металл не получалось из-за сложностей с его обработкой. Опрос знакомых сотрудников промышленных предприятий и обход пунктов скупки цветмета результатов не дал.

В конце концов удалось найти листовой алюминий чуть толще фольги, идеально подходящий для меня.

Теперь я точно знаю, где такие листы искать - у полиграфистов. Они их крепят к барабанам в своих машинах, то ли для переноса краски, то ли еще для чего-то. Если кто в курсе, расскажите в комментариях.

Нижний нагреватель с установленным отражателем и решеткой. Вместо решетки правильнее использовать , но стоит он совершенно не бюджетно, как и все с наклейкой «Professional».

Светит красивым оранжевым светом. Глаза при этом не выжигает, смотреть на свет можно совершенно спокойно.

Потребляет порядка 2.3 кВт.

Верхний нагреватель

Идея конструкции та же самая. Патроны привернуты саморезами к крышке от компьютерного блока питания. К ней же прикреплен согнутый из алюминиевого листа отражатель. Три пятисотваттные галогенки соединены последовательно.

Тоже светит оранжевым.

Потребляет порядка 250 ватт.

Схема управления

Инфракрасная станция - суть автомат с двумя датчиками (термопара платы и термопара чипа) и двумя исполнительными механизмами (реле нижнего нагревателя и реле верхнего нагревателя).

Было решено, вся логика регулирования мощности нагрева будет реализована на ПК. Arduino будет только мостом между станцией и ПК. Получил с ПК параметры ШИМ-регулирования нагревателей - выставил их - отдал температуру термопар в ПК, и так по кругу.

Arduino ожидает на последовательном порту сообщения типа SETxxx*yyy*, где xxx - мощность верхнего нагревателя в процентах, yyy - мощность нижнего нагревателя в процентах. Если полученное сообщение соответствует шаблону, выставляются ШИМ-коэффициенты для нагревателей и возвращается сообщение OKaaabbbcccddd, где aaa и bbb - установленная мощность верхнего и нижнего нагревателей, ccc и ddd - температура, полученная с верхней и нижней термопары.

«Настоящий» аппаратный ШИМ микроконтроллера с частотой дискретизации несколько килогерц в нашем случае неприменим, так как твердотельное реле не может отключиться в произвольный момент времени, а только при прохождении переменного напряжения через 0. Было решено реализовать собственный алгоритм ШИМ с частотой порядка 5 герц. Лампы при этом полностью гаснуть не успевают, хоть и заметно мерцают. При этом минимальным коэффициентом заполнения, при котором еще есть шансы захватить один период сетевого напряжения, оказывается 10%, чего вполне достаточно.

При написании скетча была поставлена задача отказаться от задания задержек фунцией delay(), так как есть подозрение, что в момент задержек возможна потеря данных с последовательного порта. Алгоритм получился следующий: в бесконечном цикле проверяется наличие данных из последовательного порта и значение счетчиков времени программного ШИМ. Если есть данные из последовательного порта, обрабатываем их, если счетчик времени достиг значений переключения ШИМ, проводим действия по включению-выключению нагревателей.

#include int b1=0; int b2=0; int b3=0; int p_top, p_bottom; int t_top, t_bottom; int state_top, state_bottom; char buf; unsigned long prev_top, prev_bottom; int pin_bottom = 11; int pin_top = 13; int tick = 200; unsigned long prev_t; int thermoDO = 4; int thermoCLK = 5; int thermoCS_b = 6; int thermoCS_t = 7; MAX6675 thermocouple_b(thermoCLK, thermoCS_b, thermoDO); MAX6675 thermocouple_t(thermoCLK, thermoCS_t, thermoDO); void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pin_top, OUTPUT); digitalWrite(pin_top, 0); pinMode(pin_bottom, OUTPUT); digitalWrite(pin_bottom, 0); t_top = 10; t_bottom = 10; p_top = 0; p_bottom = 0; state_top = LOW; state_bottom = LOW; prev_top = millis(); prev_bottom = millis(); } void loop() { if (Serial.available() > 0) { b3 = b2; b2 = b1; b1 = Serial.read(); if ((b1 == "T") && (b2 == "E") && (b3 == "S")) { p_top = Serial.parseInt(); if (p_top < 0) p_top = 0; if (p_top > 100) p_top = 100; p_bottom = Serial.parseInt(); if (p_bottom < 0) p_bottom = 0; if (p_bottom > 100) p_bottom = 100; t_bottom = thermocouple_b.readCelsius(); t_top = thermocouple_t.readCelsius(); sprintf (buf, "OK%03d%03d%03d%03d\r\n", p_top, p_bottom, t_top, t_bottom); Serial.print(buf); } } if ((state_top == LOW) && ((millis()-prev_top) >= tick * (100-p_top) / 100)) { state_top = HIGH; prev_top = millis(); } if ((state_top == HIGH) && ((millis()-prev_top) >= tick * p_top / 100)) { state_top = LOW; prev_top = millis(); } digitalWrite(pin_top, state_top); if ((state_bottom == LOW) && ((millis()-prev_bottom) >= tick * (100-p_bottom) / 100)) { state_bottom = HIGH; prev_bottom = millis(); } if ((state_bottom == HIGH) && ((millis()-prev_bottom) >= tick * p_bottom / 100)) { state_bottom = LOW; prev_bottom = millis(); } digitalWrite(pin_bottom, state_bottom); }

Приложение для компьютера.

Написано на языке Object Pascal в среде Delphi. Отображает состояние нагревателей, рисует график температуры и имеет встроенный примитивный язык моделирования, больше по философии напоминающий какой-нибудь Verilog, нежели к примеру Pascal. «Программа» состоит из набора пар «условие - действие». К примеру «при достижении нижней термопарой температуры 120 градусов установить мощность нижнего нагревателя 10%, а верхнего - 80%». Таким набором условий реализуется требуемый термопрофиль - скорость нагрева, температура удержания и т. п.

В приложении раз в секунду тикает таймер. По тику таймера функция отправляет в контроллер текущие установки мощности, назад получает текущие значения температур, отрисовывает их в окне параметров и на графике, вызывает процедуру проверки логических состояний, после чего засыпает до следующего тика.

Сборка и пробный запуск.

Схему управления собрал на макетке. Не эстетично, зато дешево, быстро и практично.

Окончательно собранное и готовое к запуску устройство.

Прогон на тестовой плате выявил следующие наблюдения:

1. Мощь нижнего нагревателя невероятна. График температуры тонкой ноутбучной платы свечой взлетает вверх. Даже при 10% мощности плата уверенно греется до требуемых 140-160 градусов.

2. С мощностью верхнего нагревателя похуже. Догреть чип даже до температуры «низ+50 градусов» получается только на 100% мощности. То ли придется впоследствии переделывать, то ли пускай остается как защита от соблазна недогревать низ.

Покупка чипа на Aliexpress.

В продаже есть два вида мостов 216-0752001. Одни заявлены как новые и стоят от 20 долларов за штуку. Другие указаны как «бывшие в употреблении» и стоят 5-10 долларов за штуку.
Среди ремонтников много мнений относительно б/у чипов. От категорически отрицательных («бугага, приходи ко мне, у меня как раз под столом горка бэушных мостов насобиралась после перепайки, я тебе их недорого продам») до осторожно нейтральных («сажаю иногда, вроде нормально работают, возвраты если и бывают, то не намного чаще новых»).
Поскольку ремонт у меня ультрабюждетный, то было решено сажать чип бывший в употреблении. А чтобы перестраховаться на случай дрогнувшей руки или неисправного экземпляра, был найден лот «2 штуки за 14 долларов».

Демонтаж чипа

Устанавливаем плату на нижний подогрев, крепим одну термопару к чипу, вторую к плате подальше от чипа. Для уменьшения теплопотерь накрываем плату фольгой, за исключением окошка под чип. Ставим верхний нагреватель над чипом. Так как чип уже пересаживался, загружаем самостоятельно придуманный профиль для свинцового припоя (нагрев платы до 150 градусов, догрев чипа до 190 градусов).

Все готово для старта.

После достижения платой температуры 150 градусов автоматически включился верхний нагреватель. Внизу под платой видна разогретая нить накаливания нижней галогенки.

В районе 190 градусов чип «поплыл». Поскольку вакуумный пинцет в бюджет не уместился, цепляем его тонкой отверткой и переворачиваем.

График температур в процессе демонтажа:

На графике хорошо виден момент включения верхнего нагревателя, качество стабилизации температуры платы (желтая крупно волнистая линия) и температуры чипа (красная мелкая рябь). Красный длинный «зубец» вниз - падение термопары с чипа после его переворота.

Запаивание нового чипа

Ввиду ответственности процесса было не до фотосъемки и изготовления скриншотов. В принципе все то же самое: проходимся по пятакам паяльником, мажем флюсом, устанавливаем чип, устанавливаем термопары, отрабатываем профиль пайки, легким пошатыванием убеждаемся, что чип «поплыл».

Чип после установки:

Видно, что сел более-менее ровно, цвет не поменялся, текстолит не погнуло. Прогноз на жизнь - благоприятный.

Затаив дыхание включаем:

Да! Материнская плата запустилась. Я перепаял первый в жизни BGA. К тому же с первого раза успешно.

Ориентировочно смета затрат:

Лампа J254: $1.5*9=$13.5
Лампа J118: $1.5*3=$4.5
Патрон r7s: $1.0*12=$12.0
Термопара: $1.5*2=$3.0
MAX6675: $2.5*2=5.0
Реле: $4*2=$8.0
Чипы: $7*2=$14.0

Итого: $60 минус оставшийся запасной чип.

Ноутбук был собран, в него добавлен найденный в столе жесткий диск на 40 гигабайт, установлена операционная система. Для предотвращения в будущем подобных инцидентов с помощью k10stat напряжение питания ядра процессора понижено до 0.9В. Теперь при самом жестком использовании температура процессора не поднимается выше 55 градусов.

Ноутбук был установлен в столовой в качестве фильмотеки для самого младшего члена семьи, который отказывается принимать пищу без любимых мультиков.

При выполнении реболлинга и пайки BGA микросхем рекомендуется использовать именно инфракрасные паяльные станции. Для них характерно избирательное тепловое воздействие: сначала нагреваются металлические элементы микросхемы и лишь потом неметаллические. Этот процесс напрямую связан с длинной волны (равной примерно 2-8мкм) и позволяет избежать механических повреждений компонентов, так как благодаря концентрации инфракрасного излучения в нужной точке обеспечивается равномерность нагрева и исключается перегрев. Современная ИК паяльная станция, купить которую на сегодняшний день не представляет особого труда, поможет справиться даже с самым сложным случаем пайки печатных плат.

Если вам необходимо качественное, надежное и современное решение для пайки BGA – рекомендуем Вам обратить внимание на инфракрасные паяльные станции, представленные в нашем интернет-магазине. Благодаря идеальному соотношению цены и производительности наши ИК паяльные станции пользуются высокой популярностью и являются экономически выгодным готовым решением для бережного ремонта, подходящим как для специалистов, так и для любителей.

В интернет-магазине «Суперайс» собраны как бюджетные варианты торговых марок YIHUA и Ly, так и более дорогие паяльно-ремонтные комплексы, такие как паяльные станции ACHI IR6500 и Dinghua DH-A01R.

Купить ИК паяльную станцию можно оптом и в розницу для своих предприятий, лабораторий и личных нужд! Заказ Вы можете оплатить при получении, и мы бесплатно доставим Вам ИК паяльную станцию в любой город России: Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Екатеринбург, Воронеж, Владивосток, Хабаровск, Краснодар, Брянск, Ростов-на-Дону, Нижний Новгород, Челябинск, Казань, Красноярск, Омск, Самара, Волгоград, Барнаул и в другие города!