Komplexní průvodce substráty BGA

             

Substráty BGA (ball grid array) se staly vysoce převládající technologií balení pro integrované obvody (IC), ASIC, GPU a další složité komponenty. Díky schopnosti pojmout vysokou hustotu kontaktů na malé ploše umožňuje BGA miniaturizaci a vylepšení výkonu pro širokou škálu elektroniky. Navrhování a výroba substrátů BGA však vyžaduje důkladné odborné znalosti. Tento komplexní průvodce pokrývá vše potřebné k využití výhod BGA a zároveň se vyhnete nástrahám.

Co je to BGA substrát?

Substrát BGA slouží jako základ pro pouzdro BGA a poskytuje mechanickou oporu a také elektrická propojení. Substrát se skládá z izolačního materiálu s vodivými stopami na něm nebo uvnitř něj, které směrují signály a napájení mezi připojeným křemíkovým čipem a deskou plošných spojů (PCB), na které je pouzdro BGA namontováno.

Charakteristickým znakem všech pouzder BGA jsou malé pájecí kuličky uspořádané na spodní straně pouzdra do mřížkového vzoru. Tyto pájecí kuličky spojují stopy substrátu s odpovídajícími přistávacími plochami na povrchu PCB, když je součást BGA připájena k desce během montáže. Tato kuličková mřížka umožňuje propojení s vysokou hustotou, protože kuličky mohou být blízko sebe.

Substráty BGA musí být navrženy speciálně tak, aby odpovídaly křemíkové matrici a desce s obvody a zároveň splňovaly elektrické, tepelné a mechanické požadavky. K výrobě BGA substrátů se používají lamináty, keramika, křemík, sklo a další materiály. Návrh substrátu závisí na faktorech, jako je počet požadovaných kontaktů, rychlost signálu, potřeba dodávky energie, očekávání spolehlivosti a cena.

Proč substráty BGA umožňují miniaturizaci

Hlavní výhody BGA vyplývají ze schopnosti umístit více propojení na menší prostor oproti starším přístupům k balení IC. Například:

• Pouzdra periferních vývodů, jako jsou čtyři ploché obaly (QFP), mají vývody pouze kolem okrajů, což omezuje hustotu kontaktu.
• Kolíková mřížková pole (PGA) používají pole kolíků vybíhajících ze spodní části obalu, ale minimální rozteč kolíků je větší než pájecí kuličky.
• Bezolovnaté nosiče čipů mají kontakty na okrajích nebo na spodní straně, ale nemohou odpovídat hustotě BGA.

Naproti tomu BGA může dosáhnout velmi vysokých hustot s kuličkami o rozteči 0.5 mm nebo dokonce 0.4 mm a méně. To umožňuje více funkcí v menších balíčcích. Ideální kulový tvar kuliček pájky také umožňuje užší rozestupy oproti kolíkům.

Vyšší počet kontaktů umožňuje integraci dalších funkcí, jako je více procesorů, paměti, senzorů, bezdrátového připojení, správy napájení a specializovaných akcelerátorů v rámci balíčků BGA zaměřených na aplikace jako 5G, AI, ADAS, IoT a další. Miniaturizace je také v souladu s preferencemi spotřebitelů pro stále kompaktnější elektroniku.

Materiály používané pro substráty BGA

Zatímco raná pouzdra BGA využívala keramické substráty, novější organické substráty nyní převažují kvůli jejich nižší ceně spolu s výhodami v odolnosti proti tepelným šokům, snížené deformaci a flexibilitě. Mezi běžné materiály patří:

BT substrát – Bismaleimid triazin, termosetová pryskyřice, obvykle vyztužená skleněnými vlákny a měděnou fólií. Nabízí cenově dostupnou rovnováhu mezi výkonem a vyrobitelností. Široce používán ve spotřebitelských, telekomunikačních, průmyslových a automobilových aplikacích. Odolává bezolovnatým pájecím procesům.

Polyimidový substrát – Poskytuje vynikající tepelnou stabilitu, ale za vyšší cenu než BT. Používá se tam, kde jsou vyžadovány velmi tenké substráty. Běžný v mobilních a vysoce spolehlivých aplikacích.

CE substrát – Kompozitní epoxidová pryskyřice vyztužená skleněnými vlákny. Nízká absorpce vlhkosti. Často se používá ve vlhkém prostředí.

Flexibilní substrát – Polyimidové fólie mohou vytvářet velmi tenké, flexibilní substráty pro lepší odolnost proti nárazům/vibracím. Umožňují tenké a kompaktní konstrukce.

Keramické substráty z oxidu hlinitého nebo nitridu hliníku stále vynikají pro některé extrémně výkonné aplikace, jako je letecký průmysl, kde jejich vynikající tepelná vodivost ospravedlňuje cenu. Silikonové nebo skleněné vložky se také objevují pro 2.5D/3D balíčky s velmi vysokou hustotou.

Proč je automatický návrh substrátu BGA nezbytný

Složitost směrování složitých únikových vzorů a stop ze stovek nebo tisíců kontaktů matrice diktuje automatizovaný počítačově podporovaný návrh. Ruční rozložení substrátu BGA není možné.

Mezi kritické výzvy patří:

Integrita signálu – Shoda geometrií tras pro dosažení kontrolované a konzistentní impedance pro každou síť je povinná, spolu se správnými referenčními rovinami pro redukci šumu. To vyžaduje automatickou optimalizaci.

Integrita napájení – Pečlivý společný návrh napájecích a zemnících ploch pro efektivní distribuci energie do křemíkového čipu bez nadměrného šumu. Oddělovací kondenzátory musí být také správně umístěny.

Hustota – Únikové směrování z pole BGA plošek vyžaduje stupňovité uspořádání propojení a tras spolu s optimalizovaným přiřazením vrstev, aby se zabránilo zahlcení a zvětšení délky.

Tepelné – Podklad musí umožňovat dostatečné vedení tepla z čipu do desky plošných spojů a okolí. K tomu pomáhají tepelné průchodky.

Spolehlivost – Pravidla návrhu pro šířku/rozteč tras, strukturu propojení, tvary kontaktních plošek a materiály musí vyvažovat náklady a dlouhodobou robustnost při teplotních cyklech, vibracích atd.

Pouze pokročilé nástroje EDA kombinující složité algoritmy směrování, správce omezení, kontroly návrhových pravidel a simulaci mohou dosáhnout optimálního návrhu substrátu, který splňuje technické výzvy i požadavky na vyrobitelnost.

Klíčové aspekty návrhu substrátu BGA

Zde jsou některé z nejdůležitějších faktorů, které musí návrháři vzít v úvahu při vývoji substrátu BGA:

• Integrita signálu – Řízené průběhy impedance, správné odkazování a izolace, zmírnění šumu a zamezení přeslechů jsou zásadní pro čisté signály, zejména při vysokých rychlostech. To je umožněno pomocí pravoúhlého trasování, referenčních rovin, dielektrických výběrů, geometrií stop, simulace a přizpůsobení délky.
• Integrita napájení – Pro zajištění stabilního a nízkošumového napájení křemíkové matrice je zapotřebí pečlivý návrh napájecí roviny, oddělovací kondenzátory a optimalizace výkonového pole. Měla by být provedena analýza poklesu napětí.
• řízení teploty – Konstrukce substrátu musí umožňovat účinné vodivé a konvekční chlazení matrice přes desku plošných spojů. Tepelné průchody pod matricí jsou nezbytné. Pomáhají materiály s vysokou vodivostí.
• Spolehlivost – Substrát a materiály pro sledování, návrhová pravidla, modelování, inspekční testování a simulace pomáhají zajistit odolnost při teplotních cyklech, vibracích, nárazech, vlhkosti a únavovém namáhání po celou dobu životnosti produktu.
• Útěk – Vzory únikového směrování z hustého kulového pole k obvodu vyžadují rozložené řady prokovů/tras optimalizovaných pro hustotu směrování, přizpůsobení délky a jednoduchost. HDI je často potřeba.
• Vyrobitelnost – Postupy DFM v celém procesu návrhu zajišťují, že substrát lze vyrobit, sestavit, zkontrolovat a otestovat spolehlivě za nejlepší cenu.
• Hustota – Balíčky BGA s vyšší hustotou vyžadují tenčí dielektrika, jemnější čáry a prostory, menší prokovy, více vrstev a pokročilé materiály pro přizpůsobení počtu propojení.

Rozteč míče v balíčcích BGA

Rozteč kuliček je vzdálenost mezi středy sousedních pájecích kuliček v mřížkovém poli. Rozteč se neustále snižovala, aby umožnila balíčky BGA s vyšší hustotou. Některá aktuální hřiště pro míče zahrnují:

• 0.8 mm – Široce používaná rozteč pro mnoho cenově citlivých balíčků BGA se střední hustotou
• 0.65 mm – Běžná rozteč s vysokou hustotou pro komplexní integrované obvody až do velikosti přibližně 35 x 35 mm
• 0.5 mm – považováno za ultrajemnou rozteč dosažitelnou pokročilou výrobou desek plošných spojů
• 0.4 mm – Extrémně malá rozteč posouvající limity výrobních možností

Trend směrem k menší rozteči kuliček umožňuje buď menší velikosti balení pro daný počet propojení, nebo vyšší hustoty ve větších velikostech balení. Smrštění však přináší výzvy v oblasti řízení procesu montáže, spolehlivosti pájeného spoje, potíží s přepracováním a citlivosti na deformaci PCB. Velmi jemná rozteč vyžaduje těsné tolerance.

Klíčové vlastnosti BGA substrátů

                         

Některé z charakteristických rysů substrátů BGA, které vysvětlují jejich výhody oproti starším stylům balení, zahrnují:

• Vysoká hustota propojení – Schopnost soustředit 100 až 1000 kontaktů na malé ploše umožňuje integraci více funkcí a I/O v kompaktním provedení.
• Nízká indukčnost – Minimální délky vodičů mezi křemíkovou matricí a PCB nabízejí vynikající elektrický výkon, zejména pro vysokofrekvenční signály.
• Krátká, přímá spojení – Přímé vertikální spoje eliminují křehké drátěné spoje a vodiče, které se mohou zlomit. Spolehlivost je vyšší.
• Kompatibilita procesu – Pouzdra BGA lze povrchově montovat jako jiné komponenty SMT ve fázi montáže PCB, což snižuje náklady.
• Tepelné vedení – Přímý kontakt matrice a krátké spoje usnadňují šíření tepla do desky plošných spojů a okolního prostředí a zmírňují horká místa.
• Samovyrovnání – Povrchové napětí tekuté pájky vyrovnává kuličky s odpovídajícími podložkami během montáže přetavení. Menší citlivost na přesnost umístění.
• Testovatelnost – Balíčky BGA umožňují úplné testování zapouzdřené matrice před montáží před montáží desky.

Výzvy pro směrování substrátu BGA

Směrování tras uvnitř nebo na vrstvách substrátu BGA představuje složité konstrukční problémy, včetně:

Integrita signálu – Řízení impedance trasy, přeslechů a kvality signálu vyžaduje shodné geometrie, správné referencování, řízení pahýlů, fázové přizpůsobení a simulaci.

Integrita napájení – Čisté napájení závisí na cestách s nízkou indukčností, dostatečném oddělení, správné izolaci rovin, tepelném managementu a analýze.

Hustota směrování – Schované únikové vzory musí umožňovat směrování kanálů mezi těsně rozmístěnými řadami propojení/tras opouštějících husté maticové pole.

Výroba – Pravidla návrhu týkající se šířky tras, roztečí, tvarů, prostupů a materiálů musí být v souladu s výrobními možnostmi a zároveň optimalizovat náklady a spolehlivost.

Tepelný management – ​​Substrát musí efektivně rozvádět teplo do desky plošných spojů a okolního prostředí, aby se zabránilo vzniku horkých míst pod hustým čipem.

Spolehlivost – Materiály, konstrukční pravidla, výrobní kontroly, modelování a testování pomáhají zajistit, aby substrát odolal namáhání po celou dobu životnosti produktu.

Pokročilé nástroje EDA a zkušení inženýři jsou zásadní pro řešení těchto vzájemně závislých výzev a zároveň se vyvarují přehnaného návrhu, který zvyšuje zbytečné náklady. Vývoj substrátu je vysoce interaktivní s neustálou optimalizací.

Přehled materiálů substrátu BGA

Jak bylo uvedeno dříve, mezi nejběžnější materiály používané k výrobě substrátů BGA patří:

Organické substráty

• BT (bismaleimide-triazine resin) – Widely used due to balance of cost/performance
• Polyimid – Vynikající tepelná stabilita, ale vyšší cena
• FR-4 – Tradiční sklem vyztužený epoxidový PCB materiál, nižší výkon/cena
• CE (kompozitní epoxid) – Používá se v prostředí s vysokou vlhkostí
• Flexibilní substráty – Polyimidové nebo LCP fólie umožňují tenké, ohebné substráty

Keramické substráty

• Oxid hlinitý (alumina) – Nejběžnější, relativně levná keramika
• Nitrid hliníku – Vysoká tepelná vodivost pro velmi náročné aplikace
• Beryllia – Toxicita omezuje použití keramiky na bázi oxidu beryllia

Další pokročilé substráty

• Silicon interposers – Umožňují 2.5D/3D stohování čipů pomocí TSV
• Skleněné vložky – izolační vlastnosti vhodné pro vysokohustotní propojení

Optimální materiál závisí na požadavcích aplikace, jako je frekvence, úrovně výkonu, potřeby spolehlivosti, dielektrické vlastnosti, výrobní náklady a životní cykly produktu.

Obavy z procesu montáže BGA

K dosažení spolehlivých pájených spojů během montáže SMT pouzder BGA na desky plošných spojů se doporučují určitá procesní opatření:

• Aplikujte přiměřené teplo, aby se všechny kuličky pájky spolehlivě přetavily bez přehřátí citlivých součástí
• Zajistěte rovnoměrné zahřívání po celé ploše BGA, abyste se vyhnuli posunům při přetavení, které by mohly obal zdeformovat
• Použijte nečistou pájecí pastu navrženou pro bezolovnatou montáž BGA, abyste zabránili zachycení zbytků
• Přesně ovládejte tepelné profily včetně ramp, namáčení a chlazení
• Odstraňte náhrobky pomocí vhodných nánosů pasty, centrování součástí a profilování
• Zabraňte vzniku dutin aplikací správných objemů pasty přizpůsobených objemu koule, designu otvoru a síle umístění
• Důkladně zkontrolujte známky špatného smáčení, defektů hlavového polštáře, nestejnoměrnosti a dalších vad
• Ověření procesů prostřednictvím návrhu experimentů (DOE) a testování, jako je analýza smykové síly na spojích vzorků

S BGA s jemnou roztečí vyžaduje montáž přísnější tolerance, pokročilé kontrolní techniky a velmi konzistentní procesní kontroly k dosažení vysokých výnosů a spolehlivosti.

Kontrola pájených spojů BGA

Na rozdíl od viditelnějších spojů na bázi olova nelze pájené spoje pod BGA vizuálně kontrolovat. Místo toho je rentgenové zobrazování optimálním řešením pro zkoumání kvality vnitřního pájeného spoje po montáži BGA.

Systémy automatizované rentgenové kontroly (AXI) generují snímky s vysokým rozlišením, které odhalují:

• Vyrovnání pájecí kuličky, výška odstupu a komprese
• Přítomnost dutin, prasklin, nedostatečné smáčení nebo jiné vady
• Deformace pájecí kuličky z ideálního tvaru
• Nerovnoměrnost mezi klouby
• Cizí předměty, nečistoty nebo zbytky

AXI poskytuje plné pokrytí inspekcí k identifikaci montážních defektů před expedicí produktů a také potenciálních dlouhodobých rizik spolehlivosti. 3D možnosti poskytují další pohled na strukturu spoje. Pokud jsou zjištěny nějaké závady, lze proces upravit tak, aby se odstranila základní příčina.

Přepracování a opravy BGA

Pokud kontroly po sestavení nebo následné testování odhalí závady v pájených spojích, umístění součástek nebo propojení na úrovni desky spojené s montáží BGA, bude nutné přepracování. Některé osvědčené postupy:

• Používejte specializované BGA rework systémy s předehřívači, termočlánky, vakuovým snímačem a optickým vyrovnáním
• Selektivně aplikujte soustředěné teplo pouze na vadnou součást bez přehřátí okolních materiálů
• Pečlivě kontrolujte nárůst teploty, namáčení a rychlost chlazení během procesu přetavení
• Použijte pájecí pastu nebo tavidlo určené pro BGA přepracování na mokré desky desky spolehlivě a zabraňte přemostění
• Použijte minimální objemy pájecí pasty odpovídající objemu podložky/kuličky, abyste se vyhnuli nadměrné pájce
• Před přetavením vizuálně zkontrolujte správné zarovnání; poté použijte AXI k potvrzení integrity spoje
• Po přepracování odstraňte veškeré zbytkové tavidlo pomocí čisticích prostředků s nízkým obsahem zbytků

U BGA s jemnou roztečí jsou pro úspěšné přepracování nezbytné specializované nástroje, materiály a procesy. Prevence je vhodnější prostřednictvím robustního návrhu a řízení procesu.

Výhody BGA

Zde jsou některé z klíčových výhod, díky nimž se obaly BGA prosadily napříč elektronikou:

Vysoká hustota – Schopnost soustředit více I/O připojení na malém prostoru umožňuje integraci dalších funkcí a prvků.

Integrita vysokorychlostního signálu – Krátké dráhy mezi čipem a deskou nabízejí výhody z hlediska elektrického výkonu, zejména pro rychlé digitální signály.

Spolehlivost – Přímá vertikální propojení zabraňují křehkým drátovým spojům a vodičům náchylným k zlomení v důsledku tepelného nebo mechanického namáhání.

Tepelný výkon – Přímý kontakt s čipem a krátké spoje podporují vedení tepla od hustého, horkého křemíku do desky plošných spojů a okolního vzduchu.

Flexibilita designu – Pro splnění technických a nákladových požadavků lze vybrat širokou škálu substrátových materiálů s různými dielektrickými vlastnostmi.

Testovatelnost – Bezvadný čip lze před sestavením desky plně otestovat zapouzdřený v pouzdrech BGA, čímž se zvýší výtěžnost.

Kompatibilita s procesem – Pouzdra BGA lze povrchově montovat stejně jako jiné SMT komponenty, což umožňuje velkoobjemovou montáž desek plošných spojů.

Omezení balíčků BGA

Navzdory významným výhodám mají BGA také určitá omezení a kompromisy:

Kontrolovatelnost – Nemožnost vizuálně zkontrolovat vnitřní pájené spoje znamená, že je k ověření integrity sestavy nutná rentgenová kontrola.

Obtížnost při opravě – Demontáž a výměna BGA bez poškození desek plošných spojů nebo sousedních součástek vyžaduje pokročilé nástroje a dovednosti.

Citlivost na deformaci desky – Tepelné namáhání může desky deformovat natolik, že dojde k přerušení spojení a snadno deformovaných pájecích kuliček pod velkými BGA.

Cena – Vysoká hustota propojení a pokročilé materiály substrátu zvyšují cenu oproti starším typům pouzder s nižším počtem kontaktů.

Zahlcení směrování signálu – Velmi vysoký počet I/O obvodů BGA vyžaduje více hustých vrstev směrování a složité únikové vzory, které zvyšují náklady na výrobu desek plošných spojů.

Propojení druhé úrovně – Před montáží desky je vyžadována samostatná montážní fáze pro připevnění čipu k substrátu BGA.

Tepelné namáhání – Aby se zabránilo poruchám způsobeným teplotními cykly, je třeba zohlednit nesoulad CTE mezi křemíkem, substrátem, deskou a pájkami.

Substráty BGA vs. LGA

Balíčky Land grid array (LGA) nabízejí alternativu k BGA s některými zřetelnými kompromisy:

Vyjímatelnost – LGA používají místo pájecích kuliček kontaktní plošky, což umožňuje vkládání/vyjímání z konektorů na deskách plošných spojů. BGA jsou trvale pájené.

Spolehlivost – LGA se vyhýbají režimům selhání únavou pájky, ale mnoho propojovacích soketů je méně spolehlivých než pájené spoje při tepelných cyklech.

Oprava – Vadné desky LGA lze odpojit a vyměnit bez odpájení nebo zahřívání desky. Desky BGA vyžadují opětovné přetavení.

Otírání kontaktů – Pájecí podložky LGA se během zasouvání otírají o piny konektoru, čímž odstraňují oxidaci a nečistoty pro nízký kontaktní odpor. BGA se spoléhají pouze na pájení.

Směrování – LGA vyžadují vysokou hustotu pokovených průchozích otvorů a propojek pro piny patice, zatímco BGA vyžadují únikové směrování pro trasy.

Profily – LGA je alespoň o výšku patice vyšší než BGA. BGA poskytuje nižší profil.

Cena – Pro velkoobjemovou výrobu je BGA obecně levnější. Pro střední objemy může být vhodnější LGA.

Optimální volba závisí na cílových nákladech, očekáváních životního cyklu, potřebách servisu v terénu a požadavcích na výkon.

Aplikace BGA napříč odvětvími

Vysoký výkon, malá velikost a spolehlivost balíčků BGA zaznamenala uplatnění v široké škále aplikací:

Consumer Electronics

• Smartphony, tablety, notebooky
• Herní konzole, set-top boxy
• Digitální fotoaparáty, nositelná zařízení

Automobilový průmysl

• Řídicí jednotky motoru, infotainment
• Moduly ADAS, LiDAR
• Ovladače těla

Letectví a vojenství

• Počítačové desky avioniky
• Radarové a zobrazovací systémy
• Naváděcí systémy raket

Telekomunikace a sítě

• Switche, routery, základnové stanice
• Servery
• Moduly vláknové optiky

Zdravotnictví

• Zobrazovací systémy jako MRI, CT, PET skenery
• Pacientské monitory a diagnostika
• Implantovatelné jako kardiostimulátory

Závěr

Jak ukazuje tato příručka, substráty BGA vyžadují promyšlenou konstrukci napříč mnoha obory – elektrotechnikou, tepelnou technikou, mechanikou, vědou o materiálech, fyzikou, výrobou a dalšími.

Pokud jsou substráty BGA správně navrženy, poskytují vysoce spolehlivý způsob propojení umožňující neustálý technologický pokrok. Vyžadují však pečlivé modelování, analýzu, dodržování správných konstrukčních postupů a přísné kontroly procesů k dosažení cílů kvality a spolehlivosti produktu.