Typy pouzder BGA pro návrh a osazování desek plošných spojů

Kuličkové mřížkové pole (BGA) je pouzdro pro povrchovou montáž, které se k desce desky připojuje pomocí mřížky pájecích kuliček pod součástkou namísto vývodů kolem jejího okraje. Toto uspořádání umožňuje mnoho spojení na malém prostoru s dobrým elektrickým a tepelným výkonem, a proto BGA dominují moderním procesorům, pamětím a složitým integrovaným obvodům. Existuje několik typů, plastové, keramické, páskové, s jemnou roztečí, čipové, flip-chip a další, každý s vlastními kompromisy. Tato příručka vysvětluje hlavní typy BGA, jejich klíčové vlastnosti a co znamenají pro montáž, kontrolu a návrh desek. Pro montáž desek plošných spojů micro-BGA je třeba vzít v úvahu rozteč pouzdra a geometrii kuliček spolu s roztečí kontaktů, návrhem šablony a kontrolou skrytých spojů.

Co je to balíček BGA?

BGA umisťuje své kontakty jako pole pájecích kuliček na spodní stranu pouzdra. Když je deska přetavena, tyto kuličky se roztaví a spojí s odpovídajícími kontaktními ploškami, čímž vytvoří elektrické a mechanické spojení.

Proč tento formát existuje

V pouzdrech s vývody dochází místo s rostoucím počtem I/O, protože vývody se vejdou pouze po obvodu. Mřížka kuliček využívá celou spodní stranu, takže BGA nabízí mnohem více připojení ve stejné oblasti s kratšími cestami, které zlepšují elektrický výkon, a velkým tepelným kontaktem pro odvod tepla. Nevýhodou je, že spoje jsou skryté, což ovlivňuje vše, co se týká montáže a kontroly.

Kde se používají BGA

Procesory, paměti, FPGA a další zařízení s vysokým výkonem I/O jsou téměř všechna BGA. Spolehlivá práce s nimi je součástí moderní osazování desek plošných spojů , zejména na vysoce výkonných deskách s vysokou hustotou.

Typy pouzder BGA (PBGA, CBGA, FBGA, FCBGA)

Označení „BGA“ zahrnuje skupinu podobných pouzder, která se liší hlavně materiálem substrátu a způsobem upevnění čipu.

Hlavní rozdíly spočívají v substrátu (plast, keramika nebo páska), v tom, zda je čip montován typu flip-chip (FCBGA pro nejvyšší výkon) a zda má součástka vůbec kuličky. LGA má kontakty a pájku získává z pasty na desce. PoP je strategie balení, která vrství součástky, aby se ušetřila plocha na desce. Správný typ je obvykle určen použitým čipem, nikoli svobodnou volbou.

Pouzdra BGA vs. s vývody (QFP a QFN)

Je užitečné vidět, kde se BGA nacházejí v porovnání s vývodovými pouzdry, jako jsou QFP a QFN.

BGA vítězí v hustotě I/O a v elektrickém a tepelném výkonu, a proto je používají zařízení s vysokým počtem pinů a vysokou rychlostí . Kompromisy zahrnují kontrolu (rentgenovou namísto vizuální), přepracování (horký vzduch a reballing namísto železa) a často složitější deska. Pro nižší počet pinů může být pouzdro s vývody jednodušší; volba obvykle navazuje na součástku. V obou případech plánování rozměrů a uspořádání během kontroly návrhu zachovává vyrobené pouzdro.

Rozteč a počet kuliček BGA

Rozteč, tedy vzdálenost kuliček mezi středy, je atribut, který nejvíce ovlivňuje obtížnost výroby a montáže BGA.

S zmenšující se roztečí již nelze směrovat vodicí stopu mezi kuličkami, takže deska potřebuje více vrstev, menší průchody a často i vstupní kontakty. Desky BGA s jemnou roztečí proto posouvají návrh směrem k technikům HDI používaným ve vysokorychlostní a hustotní výrobě. Vyšší počet kuliček to zhoršuje, protože každá kulička potřebuje výstupní cestu. U součásti identifikované jako uBGA by se při kontrole sestavy specifické pro pouzdro uBGA mělo používat skutečný výkres součástky a uspořádání kuliček, spíše než odvodit proces z názvu pouzdra.

Složení BGA kuliček a citlivost na vlhkost

Dvě podstatné skutečnosti o BGA ovlivňují způsob, jakým se s nimi manipuluje a jak se pájejí.

• Slitina kuliček. Moderní BGA používají bezolovnaté (cín-stříbro-měď) kuličky, které nastavují maximální teplotu přetavování; starší součástky mohou používat kuličky s obsahem olova.
• Citlivost na vlhkost (MSL). Desky BGA jsou citlivé na vlhkost: absorbovaná vlhkost se může během přetavování přeměnit na páru a poškodit pouzdro („popcorning“), takže součásti jsou hodnoceny dle MSL a v případě vystavení vlhkosti jsou před montáží vypáleny.

Respektování manipulace s MSL, udržování dílů suchých a pečení v případě potřeby je základní, ale kritický krok. Jeho vynechání může během přetavování prasknout obaly, bez ohledu na to, jak dobrý je zbytek procesu, a proto je tento krok součástí řízeného montážního postupu.

Jak se sestavují BGA

Umístění BGA destičky na automatizované lince je rutinní záležitostí, ale závisí na několika správných věcech.

• Šablona a lepidlo. Správně navržená šablona nanese na každou podložku správné množství pasty.
• Umístění. Součást je umístěna nad svými ploškami; kvůli dalšímu bodu nevyžaduje dokonalé zarovnání.
• Profil přetavení. Řízený profil roztaví kuličky; povrchové napětí poté zarovná obal do správné polohy („samocentrování“).
• Tepelná bilance. Profil musí odpovídat hmotnosti desky, aby každá koule dosáhla teploty současně.

Samocentrování je jednou z lepších vlastností BGA, roztavené kuličky přitahují pouzdro do správné polohy. Funguje to však pouze s kvalitní pastou a profilem odpovídajícím desce, což je u tepelně náročných desek, jako jsou sestavy s kovovým jádrem, obtížnější . Spolehlivost sestavení BGA zajišťuje správný profil hned napoprvé.

Jak se kontrolují pájené spoje BGA (rentgen)

Protože každý spoj je skrytý pod pouzdrem, nelze BGA posoudit pouhým okem. Hlavním nástrojem pro kontrolu je rentgen.

Deformace a koplanarita jsou častými viníky: pokud se obal nebo deska při přetavování prohnou, rohové nebo středové kuličky se nemusí dotýkat svých plošek, což způsobuje prohlubně nebo defekty typu hlava-polštář. Rentgen tyto skryté problémy odhalí a u kritických desek je to povinný krok, nikoli možnost. Vizuální kontrola může potvrdit pouze okraje vnější řady, nikoli samotné spoje.

Návrh desky plošných spojů pro pouzdra BGA

Spolehlivost BGA je z velké části dána návrhem desky, ještě před umístěním jednotlivé součástky.

Únikové cesty a průchody

Každá kulička potřebuje cestu ven. Při větší rozteči funguje krátká „psí kost“ k propojení mezi kuličkami. Při jemné rozteči není místo, takže je nutná propojka v podložce, vyplněný a uzavřený propojení přímo v podložce, což zase vyžaduje výrobu HDI.

Návrh podložky a šablony

Typ kontaktní plošky (definovaná pájecí maskou vs. nedefinovaná pájecí maskou) a otvor šablony ovlivňují tvar a spolehlivost spoje a měly by splňovat pokyny pro balení a montáž. To jsou přesně ty detaily, které se kontrolují při návrhu pro výrobu před výrobou.

Stohování a výroba

Počet napájecích vrstev BGA s vysokým počtem kuliček, struktury mikrootvorů a tolerance registrace, to vše je určeno během výroby desky plošných spojů . Společné navrhování desky a úniku BGA zabraňuje vzniku součásti, kterou nelze spolehlivě frézovat nebo pájet.

Přepracování a reballování BGA

BGA lze vyjmout a vyměnit, ale tento proces je specializovaný.

• Odstranění. Horkovzdušná nebo infračervená přepracovací stanice přetavuje skryté kuličky, takže lze obal zvednout přímo nahoru.
• Reballování. Pro opětovné použití BGA se nanášejí nové kuličky pomocí šablony a předlisku, čímž se pole obnoví.
• Ověření. Opravené spoje se kontrolují rentgenem, protože zůstávají neviditelné.

Rekuličkování je běžné u drahých nebo zastaralých součástek, ale vyžaduje správné vybavení a kontrolovaný profil. Pro většinu výroby je mnohem lepší než přepracování BGA součástek správně sestavit původní součástku s dobrou pastou, profilem a designem a tato konzistence je nejdůležitější při velkoobjemové montáži.

Získejte cenovou nabídku na montáž BGA

BGA se dodávají v mnoha typech: plastové, keramické, s jemnou roztečí, chip-scale, flip-chip, LGA a PoP, ale sdílejí skryté kuličky, které vyžadují pečlivý návrh, kontrolovaný profil přetavení a rentgenovou kontrolu. Vyberte si typ, který váš čip vyžaduje, navrhněte únikové vedení tak, aby odpovídalo rozteči, a ověřte to rentgenem. Více si můžete přečíst o společnosti Highleap Electronics a našich možnostech osazování BGA.

Často kladené dotazy

Co je to BGA pouzdro?

Kuličková mřížka je pouzdro pro povrchovou montáž, které se k desce desky připojuje pomocí mřížky pájecích kuliček na spodní straně namísto vývodů po obvodu. To umožňuje zabalit mnoho spojů do malé plochy s dobrými elektrickými a tepelnými vlastnostmi, a proto se používá v procesorech, pamětech a složitých integrovaných obvodech.

Jaké jsou hlavní typy BGA?

Plastové (PBGA), keramické (CBGA), páskové (TBGA), jemné (FBGA), čipové (uBGA/CSP), flip-chip (FCBGA), land grid array (LGA, které má kontaktní plošky, nikoli kuličky) a package-on-package (PoP, které stohuje součástky). Liší se hlavně materiálem substrátu a způsobem uchycení čipu.

Jaký je rozdíl mezi BGA a LGA?

BGA se dodává s pájecími kuličkami již na pouzdře, zatímco LGA má ploché kontakty a žádné kuličky, takže pájku získává z pasty natištěné na desku během montáže. Jinak se jedná o pouzdra typu mřížkové pole se spodním připojením a sdílejí podobné požadavky na směrování a kontrolu.

Proč vyžadují BGA rentgenovou kontrolu?

Protože pájené spoje se nacházejí pod pouzdrem a nejsou viditelné, je rentgen jediný způsob, jak je potvrdit. Odhalí dutiny, přemostění, spoje typu hlava-v-polštáři a otevřené spoje, zejména ty způsobené deformací pouzdra nebo desky. U kritických desek je rentgen povinným krokem kontroly, nikoli volitelným.

Jaká výška tónu se počítá jako jemná a proč na ní záleží?

Rozteče zhruba 0.5 mm a méně jsou jemné rozteče. Jsou důležité, protože již nelze směrovat vodicí stopu mezi kuličkami, takže deska potřebuje více vrstev, mikroprůchodek a průchodek v kontaktní plošce, což ji posouvá spíše k výrobě HDI. Větší rozteče (1.0 až 1.27 mm) se směrují standardními technikami.

Co je to via-in-pad a kdy je potřeba?

Via-in-pad umisťuje průchodku přímo do BGA plošky, přičemž je vyplněna a zakryta, aby se dala připájet. Je to potřeba u míst s jemnou roztečí, kde není prostor pro únikovou cestu k průchodce ve tvaru psí kosti vedle kuličky. Vyžaduje výrobu HDI a zvyšuje náklady, ale umožňuje husté směrování.

Lze BGA vyjmout a znovu použít?

Ano, s horkovzdušnou nebo infračervenou opravou pro odstranění a reballingem pro nanesení nových pájecích kuliček před opětovným použitím, následovaným rentgenovým ověřením. Je to běžné u drahých nebo zastaralých dílů, ale vyžaduje to správné vybavení a kontrolovaný profil. Pro výrobu je vhodnější správná montáž v prvním průchodu než přepracování BGA.

Kdy bych měl použít BGA místo pouzdra s vývody?

BGA se používá v případech, kdy má součástka vysoký počet I/O nebo potřebuje lepší elektrický a tepelný výkon plné spodní mřížky, a proto se používá v procesorech a FPGA. Pro nižší počet pinů může být pouzdro s vývody, jako je QFP nebo QFN, jednodušší na montáž, ruční úpravu a kontrolu. Často o tom rozhoduje použitý čip.